DE69215369T2 - POSITION MEASUREMENT - Google Patents

POSITION MEASUREMENT

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Abstract

Apparatus for measuring surfaces or profiles or textures comprises a grating interferometer comprising a curved grating (300) carried on a pivoted support arm (120,123) carrying at its other end a probe (130) for contact with a surface, biased into contact therewith by an electro-magnetic coil (410) acting on an armature (420), or a pair of such biasing means. A laser diode (310) illuminates the grating (300) to produce a pair of first order diffracted beams of opposite sign which are reflected from internal faces of a prism (316), and combined by a dichroic central layer thereof (335) and a pair of beam splitters (340a,340b). The output signals from the beam splitters are supplied to a signal processing circuit comprising a fringe counter (600) and an interpolator (700), the fringe counter detecting zero crossings of the signals and the interpolator (700) maintaining a digital estimate of the phase of the signals and updating the estimate when the phase difference between the estimate and the input signals exceeds a predetermined threshold. The interpolator comprises a digital counter (721) the output of which comprises the low order bits of the digital output signal for which the output of the fringe counter comprises the high order bits. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen von Oberflächen und Profilen unter Verwendung von Interferometrie. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln z. B. der Auslenkung einer Sonde über einer derartigen Oberfläche oder einem Profil aus dem Ausgangssignal eines Interferometers.The invention relates to a device for measuring surfaces and profiles using interferometry. The invention also relates to a method and a device for determining, for example, the deflection of a probe over such a surface or profile from the output signal of an interferometer.

Es ist bekannt, Vorrichtungen zum Messen der Oberfläche oder des Profils eines Gegenstands zu verwenden, um die Textur oder die Rauhigkeit oder die Form derselben herzuleiten. Ein Beispiel derartiger Vorrichtungen ist das von Rank Taylor Hobson Limited, PO Box 36, 2 New Star Road, Leicester LE4 7JQ, UK verfügbare Messsystem FORMA TALYSURF (TM). Diese Vorrichtung umfasst ein Sondenelement, oder eine Abnehmernadel, das nach unten vor steht, um die zu messende Oberfläche zu kontaktieren, und das benachbart zu einem Ende eines Haltearms vorhanden ist, der drehbar an einer Haltekonstruktion befestigt ist.It is known to use devices for measuring the surface or profile of an object in order to deduce the texture or roughness or shape thereof. An example of such devices is the FORMA TALYSURF (TM) measuring system available from Rank Taylor Hobson Limited, PO Box 36, 2 New Star Road, Leicester LE4 7JQ, UK. This device comprises a probe element, or pickup needle, projecting downwardly to contact the surface to be measured and located adjacent one end of a support arm which is pivotally attached to a support structure.

Die Haltekonstruktion ist für eine Linearbewegung parallel (oder ungefähr parallel) zur Oberfläche des zu messenden Gegenstands angebracht, und sie wird durch ein Antriebssystem in einer Linie über die Oberfläche bewegt.The support structure is mounted for linear movement parallel (or approximately parallel) to the surface of the object to be measured and is moved in a line across the surface by a drive system.

Der Haltearm erstreckt sich über die Drehbefestigung hinaus und trägt eine reflektierende Fläche, die ein Ende zweier optischer Pfade bildet, entlang denen eine kollimierte Lichtquelle (ein Laser) ausgerichtet ist.The support arm extends beyond the pivot mount and carries a reflective surface that forms one end of two optical paths along which a collimated light source (a laser) is directed.

In einer Bezugssondenposition über der Oberfläche sind die zwei Pfadlängen gleich. Wenn die Oberflächenhöhe variiert, wird die Sonde jedoch durch die Schwerkraft dazu gezwungen, der Oberfläche zu folgen, und die Reflexionsfläche am anderen Ende des drehbaren Haltearms bewegt sich, wodurch sich die optische Pfadlänge eines der Pfade ändert und so ein Interferenzstreifenmuster erzeugt.At a reference probe position above the surface, the two path lengths are equal. However, as the surface height varies, gravity forces the probe to follow the surface and the reflecting surface at the other end of the rotating support arm moves, changing the optical path length of one of the paths and thus creating an interference fringe pattern.

Die Anzahl der Streifen, die an einer vorgegebenen optischen Detektorposition durchlaufen, liefert ein Maß für die Auslenkung der Sonde. Daher ist eine Streifenzählvorrichtung vorhanden, um kontinuierlich die an einer festen Detektorposition durchlaufenden Streifen zu zählen und daraus ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Sondenauslenkung über der zu messenden Oberfläche repräsentiert, während die Sondenkonstruktion linear über die Oberfläche bewegt wird. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Oberfläche statt der Sonde zu bewegen.The number of stripes passing through a given optical detector position provides a measure of the deflection of the probe. Therefore, a stripe counting device is provided to continuously count the stripes passing through a fixed detector position and to calculate a To generate an output signal that represents the probe deflection over the surface to be measured while the probe structure is moved linearly over the surface. Of course, it would also be possible to move the surface instead of the probe.

Um einen Messwert für die Rundheit oder das Profil eines drehbaren Gegenstands wie einer Kurbelwelle oder einer Achse zu liefern, wird der Gegenstand unter der Abnehmernadel positioniert und so gehaltert, dass er drehend angetrieben werden kann. Wenn sich der Gegenstand dreht, misst die Sonde den Umfang desselben, woraus jegliche Exzentrizität oder Abweichung von einem gewünschten Profil erfasst werden kann.To provide a measurement of the roundness or profile of a rotating object such as a crankshaft or axle, the object is positioned under the pick-up needle and supported so that it can be driven in rotation. As the object rotates, the probe measures its circumference, from which any eccentricity or deviation from a desired profile can be detected.

Eine derartige Messvorrichtung muss extrem hohe Genauigkeit beim Messen der Sondenposition (und damit der Höhe der Oberfläche) aufweisen. Die oben beschriebene Vorrichtung kann eine Auslenkungsauflösung in der Größenordnung von 10 mm erzielen. Eine andere wichtige Eigenschaft einer derartigen Vorrichtung ist die Maximalauslenkung, die die Abnehmernadel messen kann; diese muss vernünftig groß sein, um viele Typen von Oberflächen oder Profilen messen zu können, und sie muss typischerweise in der Größenordnung von Millimetern liegen. Ein nützliches Maß für das Funktionsvermögen einer derartigen Messausrüstung ist der "Dynamikbereich", der als Bereich R(mm)/Auflösung R(mm) definiert ist. Dieser Wert sollte vorzugsweise so hoch wie möglich sein.Such a measuring device must have extremely high accuracy in measuring the probe position (and hence the height of the surface). The device described above can achieve a displacement resolution of the order of 10 mm. Another important property of such a device is the maximum displacement that the pickup needle can measure; this must be reasonably large to be able to measure many types of surfaces or profiles and is typically of the order of millimetres. A useful measure of the performance of such measuring equipment is the "dynamic range", which is defined as range R(mm)/resolution R(mm). This value should preferably be as high as possible.

Während die obige Messvorrichtung für hervorragendes Funktionsvermögen sorgt, kann eine Anzahl von Problemen auftreten. Als erstes misst das verwendete Interferometer vom Michelsontyp die Differenz der optischen Pfadlängen zwischen den zwei vorhandenen optischen Pfaden. Diese hängt kritisch von einer stabilen Lichtwellenlänge ab, wobei Änderungen des Atmosphärendrucks und der Temperatur Änderungen der Lichtwellenlänge hervorrufen können und demgemäß zu inkorrekten Messergebnissen führen können. Da die zwei optischen Pfade stark unterschiedliche Längen aufweisen können, muss die Lichtquelle eine sehr große Kohärenzlänge aufweisen; das Bereitstellen einer geeigneten Lichtquelle erfordert demgemäß einen teuren und voluminösen Lasertyp, was eine starke Spannungsversorgung erforderlich macht und von beträchtlicher Wärmeabstrahlung begleitet ist.While the above measuring device provides excellent performance, a number of problems can arise. First, the Michelson-type interferometer used measures the difference in optical path lengths between the two existing optical paths. This critically depends on a stable wavelength of light, and changes in atmospheric pressure and temperature can cause changes in the wavelength of light and thus lead to incorrect measurement results. Since the two optical paths can have very different lengths, the light source must have a very large coherence length; providing a suitable light source thus requires an expensive and bulky type of laser, which requires a high voltage supply and is accompanied by considerable heat radiation.

Das Dokument US 3,726,595, Fig. 8-1, zeigt eine Vorrichtung zur Oberflächenmessung, die statt dessen ein Gitterinterferometer verwendet. Bei einem Gitterinterferometer beleuchtet ein Lichtstrahl ein Gitter und wird dadurch gebeugt, um ein Paar Beugungsstrahlen erster Ordnung zu erzeugen (es könnten jedoch höhere Ordnungen verwendet werden). Die zwei Strahlen werden so reflektiert, dass sie gleiche Pfadlängen zurücklegen, und sie werden wieder zusammengesetzt, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Wenn sich das Gitter in Querrichtung bewegt, bleibt der Pfad jedes Strahls konstant, jedoch ändert sich die Phase jedes Strahls, so dass sich die Streifen des Interferenzmusters verschieben. Die Bewegung der Streifen bildet daher ein Maß für die Querbewegung des Gitters.The document US 3,726,595, Fig. 8-1, shows a device for surface measurement that uses a grating interferometer instead. In a grating interferometer, a beam of light illuminates a grating and is diffracted to produce a pair of first-order diffracted beams (although higher orders could be used). The two beams are reflected so that they travel equal path lengths and they are recombined to produce an interference pattern. As the grating moves transversely, the path of each beam remains constant, but the phase of each beam changes so that the fringes of the interference pattern shift. The movement of the fringes therefore provides a measure of the transverse motion of the grating.

Gemäß dem Dokument US 3,726,595 ist das Gitter normal zu einer Oberfläche positioniert und trägt eine Sonde an seinem die Oberfläche kontaktierenden Ende, so dass dann, wenn das Interferometer quer entlang der Oberfläche verstellt wird, das Gitter dazu gezwungen wird, sich normal zur Oberfläche zu bewegen, wobei die sich ergebende Änderung des Interferenzmusters ein Maß für die Sondenposition liefert.According to document US 3,726,595, the grating is positioned normal to a surface and carries a probe at its surface-contacting end, so that when the interferometer is moved across the surface, the grating is forced to move normal to the surface, the resulting change in the interference pattern providing a measure of the probe position.

Der Art dieser Vorrichtung ist das Erfordernis eigen, dass das Gitter darauf beschränkt werden sollte, sich lediglich linear, quer zum Beleuchtungsstrahl und zur Linie, die die zwei Beugungsstrahlen trennt, zu bewegen.The nature of this device requires that the grating should be restricted to move only linearly, transverse to the illumination beam and to the line separating the two diffracted beams.

Jedoch wäre bei der Messung grober oder unregelmäßiger Oberflächen, oder allgemein bei Oberflächen, bei denen ansteigende Kanten vorhanden sind, auf die die Sonde trifft, dieses Verfahren der Sondenanbringung unzufriedenstellend, da dann, wenn die Sonde in Kontakt mit einer derartigen ansteigenden Kante gezogen wird, Druckspannungen innerhalb der Sonde auftreten würden, wenn die Sonde über die Kante bewegt würde, wodurch sich erstens die Tendenz einer Verschiebung der Gitterausrichtung (Störung des Interferenzmusters) ergebe und sich zweitens die Tendenz ergebe, dass auf Grund der erhöhten Reibung zur Oberfläche eine Sondenvibration hervorgerufen würde. Es ergebe sich auch die Tendenz, erhöhte Spannungen auf die Sondenbefestigung auszuüben.However, when measuring rough or irregular surfaces, or generally surfaces where there are rising edges that the probe encounters, this method of probe attachment would be unsatisfactory because if the probe is drawn into contact with such a rising edge, compressive stresses would arise within the probe as the probe was moved over the edge, which would firstly tend to shift the grating alignment (disturb the interference pattern) and secondly tend to cause probe vibration due to increased friction with the surface. There would also be a tendency to impose increased stresses on the probe attachment.

Wenn die im Dokument US 3,726,595 dargestellte Vorrichtung so ausgebildet würde, dass das Gitter/die Sonde an einem drehbaren Arm vorhanden wären, würde sich die Neigung des Gitters drehen, wenn die Sonde, und damit das Gitter, über der Oberfläche ansteigt und abfällt. Diese Drehung würde entweder Beugung vollständig verhindern oder die Richtung der Beugungsstrahlen verstellen, was beides die Vorrichtung unwirksam machen würde.If the device shown in US 3,726,595 were designed so that the grating/probe were on a rotating arm, the inclination of the grating would rotate as the probe, and hence the grating, rose and fell above the surface. This rotation would either prevent diffraction completely or alter the direction of the diffracted rays, either of which would render the device ineffective.

Das Dokument EP-A-0 242 436 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen kleiner Wege mit einer an einem Ende eines drehbaren Arms angebrachten Messspitze. Das andere Ende des Arms trägt einen Messspiegel. Die Bewegung des Dreharms wird unter Verwendung eines optoelektronischen Bauteils erfasst. Das optoelektronische Bauteil verfügt über ein Gitter zum Auskoppeln von Licht aus einem Wellenleiter und in diesen zurück. Das Beugungsgitter lenkt Licht vom Wellenleiter zum Messspiegel herunter und koppelt vom Messspiegel reflektiertes Licht in den Wellenleiter zurück. Das reflektierte Licht oder der Messstrahl wird in einem Kopplungsbereich in den Wellenleiter gekoppelt, um mit einem Bezugsstrahl zu interferieren, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das von der Bewegung der Messspitze abhängt.Document EP-A-0 242 436 describes a device for measuring small paths with a measuring tip attached to one end of a rotating arm. The other end of the arm carries a measuring mirror. The movement of the rotating arm is detected using an optoelectronic component. The optoelectronic component has a grating for coupling light out of a waveguide and back into it. The diffraction grating directs light from the waveguide down to the measuring mirror and couples light reflected from the measuring mirror back into the waveguide. The reflected light or measuring beam is coupled into the waveguide in a coupling region to interfere with a reference beam to produce an interference pattern that depends on the movement of the measuring tip.

Das Dokument US-A-3,419,330 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen der Winkeldrehgeschwindigkeit einer Welle, wobei ein Beugungsgitter an der zylindrischen Oberfläche einer Scheibe angeordnet ist, die so befestigt ist, dass sie sich mit der Welle dreht.Document US-A-3,419,330 describes a device for measuring the angular rotational speed of a shaft, wherein a diffraction grating is arranged on the cylindrical surface of a disk which is mounted so as to rotate with the shaft.

Das Dokument FR-A-2 075 408 beschreibt ein Messverfahren, bei dem ein Beugungsgitter an einem zu messenden Gegenstand befestigt wird und Beugungsstrahlen unterschiedlicher Ordnung entlang optischen Pfaden im wesentlichen gleicher Länge und durch eine Strahlzusammenfasseinrichtung laufen, in der die polarisierten Komponenten relativ zueinander phasenverschoben werden. Beim Verlassen der Strahlzusammensetzeinrichtung werden die Komponenten hinsichtlich der Modulationsphase relativ zueinander verschoben und durch eine photoelektrische Einrichtung erfasst, um Signale zu liefern, aus denen der Hub des Gegenstands hergeleitet werden kann.Document FR-A-2 075 408 describes a measurement method in which a diffraction grating is attached to an object to be measured and diffraction beams of different orders travel along optical paths of substantially the same length and through a beam combiner in which the polarized components are phase-shifted relative to each other. On leaving the beam combiner, the components are shifted relative to each other in terms of the modulation phase and detected by a photoelectric device to provide signals from which the displacement of the object can be deduced.

Gemäß einer Erscheinungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen von Oberflächenmerkmalen geschaffen, mit einer Sonde, um eine zu messende Oberfläche zu berühren und sich entlang der Oberfläche zu bewegen, und mit einem Sondenhalter, um die Sonde so zu tragen, dass sie um einen Drehpunkt eine Drehbewegung ausführen kann, gekennzeichnet durch ein Gitterinterferometer, um ein Maß für die Drehbewegung der Sonde zu liefern, mit einem Beugungsgitter, das auf einer gekrümmten Fläche angeordnet ist, die mit dem Sondenhalter verbunden ist, so dass sie sich mit der Sonde bewegt, und die einen Krümmungsmittelpunkt bei dem Punkt, um den sich die Sonde drehen kann, aufweist.According to one aspect of the invention there is provided an apparatus for measuring surface features, comprising a probe for contacting a surface to be measured and moving along the surface, and a probe holder for supporting the probe for rotational movement about a pivot point, characterized by a grating interferometer for providing a measure of the rotational movement of the probe, a diffraction grating disposed on a curved surface connected to the probe holder for movement with the probe and having a center of curvature at the point about which the probe can rotate.

Eine die Erfindung verkörpernde Vorrichtung ist zum Messen rauher Oberflächen mit ansteigenden Kanten mechanisch geeignet, sie ermöglicht es, die optische Pfadlänge der Beugungsstrahlen konstant zu halten und sie ermöglicht es, dass das Beugungsmuster in viel kleinerem Ausmaß von der Wellenlänge des Beleuchtungslichts und dessen Kohärenzlänge abhängt, so dass relativ billige Lichtquellen niedriger Leistung wie Halbleiterlaser verwendet werden können.A device embodying the invention is for measuring rough surfaces with rising edges, it allows the optical path length of the diffracted rays to be kept constant and it allows the diffraction pattern to depend to a much smaller extent on the wavelength of the illuminating light and its coherence length, so that relatively cheap low-power light sources such as semiconductor lasers can be used.

Das Gitter kann mit dem Haltearm am anderen Ende in bezug auf die Drehverbindung mit der Sonde angebracht sein. Dies erstreckt die wirksame Länge des Haltearms auf der Sondenseite des Drehpunkts, was beim Messen umschlossener Volumina wie Röhren von Vorteil sein kann.The grid can be mounted with the support arm at the other end relative to the pivot connection with the probe. This extends the effective length of the support arm on the probe side of the pivot point, which can be advantageous when measuring enclosed volumes such as tubes.

Die Krümmung des Gitters bewirkt bei dieser Ausführungsform jedoch ein Divergieren oder Konvergieren der Beugungstrahlen abhängig davon, ob das Gitter konvex bzw. konkav ist. Daher ist vorzugsweise eine Einrichtung zum optischen Korrigieren der durch das Gitter eingeführten Divergenz oder Konvergenz vorhanden. Die Einrichtung umfasst vorzugsweise eine Korrekturlinse oder sie umfasst Korrekturlinsen. Wenn eine Quelle mit divergierendem Licht wie ein Halbleiterlaser verwendet wird, korrigiert die Korrigiereinrichtung vorzugsweise auch die Divergenz der Lichtquelle. Alternativ kann die Divergenz der Lichtquelle dazu verwendet werden, eine Konvergenz auf Grund des Gitters zu kompensieren.However, the curvature of the grating in this embodiment causes the diffracted beams to diverge or converge depending on whether the grating is convex or concave, respectively. Therefore, means for optically correcting the divergence or convergence introduced by the grating is preferably provided. The means preferably comprises a correcting lens or it comprises correcting lenses. When a source of diverging light such as a semiconductor laser is used, the correcting means preferably also corrects the divergence of the light source. Alternatively, the divergence of the light source can be used to compensate for convergence due to the grating.

Beim Gitterinterferometer gemäß Fig. 8-1 des Dokuments US-3,726,595 sind die zwei Beugungsstrahlen so angeordnet, dass sie über zwei Pfade identischer Länge laufen, und zwar durch das Anbringen eines Paars paralleler, ebener Spiegel, die jeden Strahl zu einem Strahlteiler zurücklenken, der die zwei reflektierten Strahlen zusammensetzt.In the grating interferometer shown in Fig. 8-1 of document US-3,726,595, the two diffracted beams are arranged to travel along two paths of identical length by the provision of a pair of parallel, plane mirrors which redirect each beam to a beam splitter which combines the two reflected beams.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein interferometrisches Messgerät ein Prisma, das relativ zu einem Beugungsgitter so angeordnet ist, dass ein Paar der Seiten des Prismas, an ihren Innenflächen, ein entsprechendes Paar Strahlen empfängt, die durch das Gitter mit gleicher, aber entgegengesetzter Ordnung gebeugt wurden, und das sie auf Pfaden mit vorzugsweise gleicher Länge zu einem optischen Zusammensetzelement zum Erzeugen eines Interferenzmusters zwischen ihnen lenkt. Vorzugsweise umfasst die optische Zusammensetzeinrichtung (z. B. ein Strahlteiler) auch einen Teil des Prismas; vorzugsweise ist ein Strahlteiler als zentrale Innenfläche desselben ausgebildet. Vorzugsweise sind die Form, die Position und das Material des Prismas so ausgewählt, dass Reflexion gemäß interner Totalreflexion erfolgt. Durch Bereitstellen der optischen Komponenten als Teil eines einzelnen Prismas ist die Anzahl von Ausrichtungs- und Kalibriervorgängen, die hohe Genauigkeit erfordern, stark verringert, was die Produktions- und Wartungskosten der Vorrichtung verringert.In one embodiment of the invention, an interferometric measuring device includes a prism arranged relative to a diffraction grating such that a pair of the sides of the prism receive, at their inner surfaces, a corresponding pair of rays diffracted by the grating of the same but opposite order and direct them along paths of preferably equal length to an optical compositing element for producing an interference pattern between them. Preferably, the optical compositing means (e.g. a beam splitter) also comprises part of the prism; preferably a beam splitter is formed as the central inner surface thereof. Preferably, the shape, position and Material of the prism is selected so that reflection occurs according to total internal reflection. By providing the optical components as part of a single prism, the number of alignment and calibration operations requiring high accuracy is greatly reduced, which reduces the production and maintenance costs of the device.

Vorzugsweise ist das Prisma so ausgebildet, dass der Einfallswinkel auf diese Reflexionsflächen näherungsweise 450 beträgt; dies ermöglicht die Verwendung einer einfacheren Zusammensetzeinrichtung.Preferably, the prism is designed so that the angle of incidence on these reflection surfaces is approximately 45°; this enables the use of a simpler assembly device.

Die zwei Reflexionsflächen sollten parallel sein, um den Aufbau zu vereinfachen.The two reflection surfaces should be parallel to simplify the setup.

In Zusammenhang mit dem oben erörterten Interferometer TALYSURF (TM) wurde angegeben, dass die Auslenkung durch Zählen der Anzahl von Streifen, die an der Position eines optischen Detektors durchlaufen, gemessen wurde. Dieses Verfahren sorgt für eine genaue Messung, jedoch ist es durch die Schrittweite der Streifen begrenzt, die ihrerseits mit der Gitterschrittweite in Beziehung steht. Jedoch kann höhere Genauigkeit dadurch erzielt werden, dass die optische Signalphase zwischen Streifen an der Detektorposition gemessen wird; dies wird als Interpolation zwischen Streifen bezeichnet.In the context of the TALYSURF (TM) interferometer discussed above, it was stated that the deflection was measured by counting the number of fringes passing through the position of an optical detector. This method provides an accurate measurement, but is limited by the step size of the fringes, which in turn is related to the grating step size. However, greater accuracy can be achieved by measuring the optical signal phase between fringes at the detector position; this is called interpolation between fringes.

Das Dokument US-4,629,886 beschreibt einen optischen Skalenleser, der bei der Positionssteuerung eines VLSI-Herstelltischs verwendet wird, der eine Skala oder ein Beugungsgitter trägt. Die lineare Position des Tischs und der Skala wird durch ein Gitterinterferometer gemessen, und es sind zwei optische Detektoren vorhanden, die um 90º gegeneinander phasenverschobene Signale liefern. Diese Vorrichtung sorgt sowohl für ein Zählen von Streifen, als sie auch einen Interpolator bereitstellt, der dadurch arbeitet, dass er auswählt, welches der zwei Signale als bessere Annäherung für Linearität angenommen wird (in dem Sinn, dass ein Sinussignal für kleine Werte eine Annäherung an ein lineares Signal ist), er dieses Signal digitalisiert und das digitalisierte Signal als Maß für den Interpolationswert verwendet.Document US-4,629,886 describes an optical scale reader used in the position control of a VLSI manufacturing table carrying a scale or diffraction grating. The linear position of the table and scale is measured by a grating interferometer and there are two optical detectors providing signals 90º out of phase with each other. This device provides both fringe counting and an interpolator which operates by selecting which of the two signals is considered to be a better approximation of linearity (in the sense that a sinusoidal signal is an approximation of a linear signal for small values), digitizing this signal and using the digitized signal as a measure of the interpolation value.

Jedoch ist die Genauigkeit dieses Typs von Interpolator begrenzt, solange nicht ein mathematischer Normierungsschritt für die zwei phasenverschobenen Signale ausgeführt wird. Ferner erfordert er einen Analog-Digital-Wandler mit vernünftiger Genauigkeit. Die Analog-Digital-Wandlung und alle folgenden Berechnungen begrenzen die Betriebsgeschwindigkeit des Interpolators.However, the accuracy of this type of interpolator is limited unless a mathematical normalization step is performed for the two phase-shifted signals. Furthermore, it requires an analog-to-digital converter with reasonable accuracy. The analog-to-digital conversion and all subsequent Calculations limit the operating speed of the interpolator.

Demgemäß ist bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Interpolatorschaltung zur Verwendung mit einer interferometrischen Messvorrichtung oder dergleichen geschaffen, die eine Einrichtung zum Erzeugen eines Bezugssignals, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Signals, das die Differenz zwischen der Phase des Bezugssignals und derjenigen des vom Interferometer hergeleiteten Signals, und eine Einrichtung zum Variieren des Bezugssignals zum Verringern der Differenz aufweist. Das Bezugssignal folgt so phasenmäßig dem vom Interferometer hergeleiteten Signal, und die Phase des Bezugssignals ist statt des vom Interferometer hergeleiteten Signals das Ausgangssignal.Accordingly, in one embodiment of the invention there is provided an interpolator circuit for use with an interferometric measuring device or the like, comprising means for generating a reference signal, means for generating a signal representing the difference between the phase of the reference signal and that of the signal derived from the interferometer, and means for varying the reference signal to reduce the difference. The reference signal thus follows the phase of the signal derived from the interferometer, and the phase of the reference signal is the output signal rather than the signal derived from the interferometer.

Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Liefern des Bezugssignals eine Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals und eine Einrichtung zum Liefern, auf das Steuersignal hin, eines Signals vorbestimmter Phase. Diese Anordnung ist gegenüber einer Anordnung bevorzugt, bei der das Steuersignal die Frequenz (oder die Phasenänderungsrate) steuert, da sie selbst dann genau ist, wenn die Phase konstant ist (z. B. dann, wenn die Sonde stationär ist).Preferably, the means for providing the reference signal comprises means for generating a control signal and means for providing, in response to the control signal, a signal of predetermined phase. This arrangement is preferred to an arrangement in which the control signal controls the frequency (or rate of phase change) because it is accurate even when the phase is constant (e.g. when the probe is stationary).

Auf dem Gebiet des Nachfahrens rotierender Maschinen ist es bekannt, Nachfahrvorrichtungen zu verwenden, die ein digitales Ausgangssignal für eine Schätzphase liefern, wobei Beispiele die Analogbauteile 1574 und 2581 sind, wie sie in den jeweiligen Datenblättern beschrieben sind, die von Analog Devices, Norwood, Massachussetts, USA verfügbar sind. Jedoch sind diese Bauteile für Streifeninterpolation ungeeignet, und sie weisen bei hohen Nachfahrraten schlechtes Frequenzansprechverhalten auf.In the field of tracking rotating machines, it is known to use tracking devices that provide a digital output for an estimation phase, examples being the analog devices 1574 and 2581, as described in the respective data sheets available from Analog Devices, Norwood, Massachusetts, USA. However, these devices are unsuitable for strip interpolation and they have poor frequency response at high tracking rates.

Es ist ersichtlich, dass die obige, bevorzugte Ausführungsform zwar hauptsächlich für eine interferometrische Vorrichtung vorgesehen ist, sie jedoch auch dort verwendet werden könnte, wo ein Phase-Digital-Wandler erforderlich ist, der bis zu niedrigen Frequenzen oder Gleichspannung herunterarbeitet.It will be appreciated that although the above preferred embodiment is primarily intended for an interferometric device, it could also be used where a phase-to-digital converter is required that operates down to low frequencies or DC voltage.

Vorzugsweise ist das Steuersignal ein digitales Signal, wodurch das Steuersignal ein direktes digitales Ausgangsmaß für die Phase liefern kann. Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Liefern des Steuersignals ein einfacher Digitalzähler, der inkrementiert wird, wenn die Phasendifferenz zwischen dem Bezugssignal und dem vom Interferometer hergeleiteten Signal größer als ein vorbestimmter Wert wird; dies sorgt für eine schnell wirkende Ausgangsschaltung betreffend die digitale Phase, mit einfachem Aufbau.Preferably, the control signal is a digital signal, whereby the control signal can provide a direct digital output measure of the phase. Preferably, the means for providing the control signal is a simple digital counter which is incremented when the phase difference between the reference signal and the signal derived from the interferometer becomes greater than a predetermined value; this provides a fast-acting digital phase output circuit with a simple structure.

Das Steuersignal wird herkömmlicherweise an einen digitalen Funktionsgenerator geliefert, der einfach ein ROM sein kann, der einen entsprechenden digitalen Bezugssignalwert erzeugt, der dann durch einen Digital-Analog- Wandler in ein analoges Signal gewandelt wird. Bei derartigen Anordnungen sind relativ genaue und schnell reagierende Digital-Analog-Wandler an die Stelle herkömmlicher Analog-Digital-Wandler gesetzt.The control signal is conventionally supplied to a digital function generator, which may simply be a ROM, which generates a corresponding digital reference signal value, which is then converted to an analog signal by a digital-to-analog converter. In such arrangements, relatively accurate and fast-responding digital-to-analog converters are substituted for conventional analog-to-digital converters.

Ein besonderes Problem kann dann auftreten, wenn eine plötzliche Vibration oder ein mechanischer Stoß auf die Sonde wirkt. Bei sehr hohen Sondengeschwindigkeiten kann der Interpolator nicht dazu in der Lage sein, dem Signal vom Interferometer zu folgen. Jedoch kann eine Streifenzählschaltung allgemein mit beträchtlich höherer Geschwindigkeit arbeiten und so selbst dann näherungsweise nachfahren, wenn schnelle Sondenbewegungen vorliegen, die durch zufällige Vibration hervorgerufen sind.A particular problem can arise when a sudden vibration or mechanical shock is applied to the probe. At very high probe speeds, the interpolator may not be able to follow the signal from the interferometer. However, a fringe counter circuit can generally operate at considerably higher speeds and thus approximately track even when there are rapid probe movements caused by random vibration.

Es ist bevorzugt, dafür zu sorgen, dass der Interpolator phasenmäßig mit dem Streifenzähler synchronisiert ist, so dass jeder Ringzählwert die interpolierte Phase neu synchronisiert und der Interpolator und der Zähler übereinstimmen.It is preferable to ensure that the interpolator is phase synchronized with the strip counter so that each ring count resynchronizes the interpolated phase and the interpolator and counter agree.

Bei der oben angegebenen Vorrichtung TALYSURF (TM) wird die Sonde mittels Schwerkraft in Kontakt mit der Oberfläche gehalten, über die sie läuft. Die Sonde muss daher direkt nach unten auf die zu messende Oberfläche zeigen, was die Anwendung der Vorrichtung hinsichtlich des Messens von Oberflächen vor Ort von unten oder von der Seite beschränkt.In the TALYSURF (TM) device indicated above, the probe is held in contact with the surface over which it passes by gravity. The probe must therefore point directly downwards towards the surface to be measured, which limits the application of the device to measuring surfaces in situ from below or from the side.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist daher eine Oberflächen- oder Profilmessvorrichtung mit einer Sonde und einer Einrichtung zum Drücken der Sonde gegen den zu messenden Gegenstand geschaffen.In one embodiment of the invention, a surface or profile measuring device is therefore provided with a probe and a device for pressing the probe against the object to be measured.

Bekannte Anordnungen, bei denen die Sonden vorgespannt sind, sind aus den Dokumenten US-4,669,300, GB-2 085 156 und GB-1 429 973 bekannt.Known arrangements in which the probes are prestressed are known from the documents US-4,669,300, GB-2 085 156 and GB-1 429 973.

Die Einrichtung könnte einfach eine Zug- oder Druckfeder sein, die so angeordnet ist, dass sie die Sonde in einer Richtung gegen die Oberfläche drückt. Jedoch ist die durch eine derartige Feder ausgeübte Kraft proportional zur Auslenkung der Sonde. Daher ist es bevorzugt, dass die Einrichtung eine im wesentlichen konstante Andrückkraft auf die Sonde ausübt. Alternativ ist die Andrückkraft dergestalt, dass eine Vibration der Sonde gedämpft wird; z. B. steht sie in Zusammenhang mit der Sondengeschwindigkeit.The device could simply be a tension or compression spring arranged to push the probe in one direction against the surface However, the force exerted by such a spring is proportional to the deflection of the probe. Therefore, it is preferred that the device exerts a substantially constant pressing force on the probe. Alternatively, the pressing force is such that vibration of the probe is dampened; e.g., it is related to the probe speed.

Die Einrichtung kann auch so beschaffen sein, dass sie die Sonde von der Oberfläche abhebt, falls erwünscht.The device may also be designed to raise the probe from the surface if desired.

Die Einrichtung kann einen Elektromagnet mit einer relativ verstellbaren Spule und einem Kernstück enthalten, der eine im wesentlichen konstante Kraft ausübt, die durch einen an die Spule angelegten Strom gesteuert werden kann. Bei einem alternativen Aufbau kann die Sonde auf eine Auslenkungs-Ausgangsposition vorgespannt werden, z. B. durch Bereitstellen eines Paars Andrückeinrichtungen, die in entgegengesetzten Richtungen Druck auf die Sonde ausüben.The device may include an electromagnet having a relatively adjustable coil and a core which exerts a substantially constant force which can be controlled by a current applied to the coil. In an alternative construction, the probe may be biased to an initial deflection position, e.g. by providing a pair of pressing devices which exert pressure on the probe in opposite directions.

Andere Erscheinungsformen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der Beschreibung und den Ansprüchen, wie sie folgen, ersichtlich.Other aspects and preferred embodiments of the invention will become apparent from the description and claims as they follow.

Nun werden Ausführungsformen der Erfindung nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denenEmbodiments of the invention will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which

Fig. 1 schematisch eine bekannte Form einer Oberflächenme-ss vorrichtung zeigt;Fig. 1 shows schematically a known form of surface measuring device;

Fig. 2 schematisch eine bekannte Form einer Rundheits-Me-ss vorrichtung zeigt;Fig. 2 shows schematically a known form of roundness measuring device;

Fig. 3 zeigt detaillierter einen bekannten Typ einer Messvorrichtung zur Verwendung in den Fig. 1 und 2;Fig. 3 shows in more detail a known type of measuring device for use in Figs. 1 and 2;

Fig. 4 zeigt schematische die Elemente eines Gitterinterferometers,Fig. 4 shows schematically the elements of a grating interferometer,

Fig. 5 zeigt schematisch die Anordnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Verwendung bei der Vorrichtung der Fig. 1 oder 2;Fig. 5 shows schematically the arrangement of a preferred embodiment of the invention for use in the device of Fig. 1 or 2;

Fig. 6 zeigt schematisch einen Teil von Fig. 5 detaillierter;Fig. 6 shows schematically a part of Fig. 5 in more detail;

Fig. 7 ist eine Explosionsansicht eines Teils von Fig. 6;Fig. 7 is an exploded view of a portion of Fig. 6;

Fig. 8A und 8B veranschaulichen die Wirkungen eines gekrümmten Beugungsgitters und einer Kompensationslinse hierfür;Figs. 8A and 8B illustrate the effects of a curved diffraction grating and a compensating lens therefor;

Fig. 9A - 9C veranschaulichen Ausgangssignale, wie sie von der Vorrichtung der Fig. 6 und 7 erzeugt werden;Figs. 9A-9C illustrate output signals produced by the device of Figs. 6 and 7;

Fig. 10 zeigt schematisch ein Beugungsgitter zur Verwendung beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 bis 7;Fig. 10 shows schematically a diffraction grating for use in the embodiment of Figs. 5 to 7;

Fig. 11 zeigt schematische einen Querschnitt durch einen Teil der Gitterfläche des in Fig. 10 dargestellten Beugungsgitters;Fig. 11 shows a schematic cross section through a part of the grating surface of the diffraction grating shown in Fig. 10;

Fig. 12 zeigt schematisch die Herstellung des Gitters von Fig. 10;Fig. 12 shows schematically the manufacture of the grid of Fig. 10;

Fig. 13 zeigt schematisch das durch das Verfahren von Fig. 12 hergestellte Gitter;Fig. 13 shows schematically the grating produced by the process of Fig. 12;

Fig. 14 ist eine genaue, maßstäbliche Seitenansicht des in der Vorrichtung der Fig. 5 bis 7 verwendeten Prismas;Fig. 14 is a detailed, scaled side view of the prism used in the device of Figs. 5 to 7;

Fig. 15 veranschaulicht schematisch ein erstes Stadium beim Ausrichten der Vorrichtung von Fig. 6;Fig. 15 illustrates schematically a first stage in the alignment of the device of Fig. 6;

Fig. 16 veranschaulicht ein zweites Stadium beim Ausrichten der Vorrichtung von Fig. 6;Fig. 16 illustrates a second stage in the alignment of the device of Fig. 6;

Fig. 17 zeigt schematisch einen Teil der Fig. 6 und 7 detaillierter, und zwar gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;Fig. 17 shows schematically a part of Figs. 6 and 7 in more detail, according to a preferred embodiment of the invention;

Fig. 18 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das alternativ zu dem von Fig. 17 ist;Fig. 18 shows an embodiment alternative to that of Fig. 17 ;

Fig. 19 zeigt ein zusätzliches Ausführungsbeispiel zu dem der Fig. 17 und 18;Fig. 19 shows an additional embodiment to that of Figs. 17 and 18;

Fig. 20 zeigt schematisch ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel zu dem der Fig. 5 bis 7;Fig. 20 shows schematically a first alternative embodiment to that of Figs. 5 to 7;

Fig. 21 zeigt schematisch ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel zu dem der Fig. 5 bis 7;Fig. 21 shows schematically a second alternative embodiment to that of Figs. 5 to 7;

Fig. 22 zeigt schematisch ein drittes alternatives Ausführungsbeispiel zu dem der Fig. 5 bis 7;Fig. 22 shows schematically a third alternative embodiment to that of Figs. 5 to 7;

Fig. 23 zeigt schematisch ein viertes alternatives Ausführungsbeispiel zu dem der Fig. 5 bis 7;Fig. 23 shows schematically a fourth alternative embodiment to that of Figs. 5 to 7;

Fig. 24 zeigt schematisch ein fünftes alternatives Ausführungsbeispiel zu dem der Fig. 5 bis 7;Fig. 24 shows schematically a fifth alternative embodiment to that of Figs. 5 to 7;

Fig. 25 zeigt schematisch eine erste Signalverarbeitungsschaltung zur Verwendung bei den obigen Ausführungsbeispielen;Fig. 25 schematically shows a first signal processing circuit for use in the above embodiments;

Fig. 26 zeigt schematisch eine zweite Signalverarbeitungs-Ausgangsschaltung zur Verwendung bei der von Fig. 25;Fig. 26 shows schematically a second signal processing output circuit for use with that of Fig. 25;

Fig. 27 zeigt detaillierter den Aufbau eines Zählers, der einen Teil der Schaltung von Fig. 26 bildet;Fig. 27 shows in more detail the construction of a counter which forms part of the circuit of Fig. 26;

Fig. 28 zeigt schematisch detaillierter einen Teil der Schaltung von Fig. 27;Fig. 28 shows schematically in more detail a part of the circuit of Fig. 27;

Fig. 29A - F zeigt schematisch Signale an Punkten der Schaltung von Fig. 28;Fig. 29A-F shows schematically signals at points of the circuit of Fig. 28;

Fig. 30 zeigt detaillierter einen Teil der Schaltung von Fig. 29;Fig. 30 shows in more detail a part of the circuit of Fig. 29;

Fig. 31 zeigt schematisch den allgemeinen Aufbau einer Interpolatorschaltung, die einen Teil der Schaltung von Fig. 26 bildet;Fig. 31 shows schematically the general construction of an interpolator circuit forming part of the circuit of Fig. 26;

Fig. 32 zeigt einen Teil der Schaltung von Fig. 31 detaillierter;Fig. 32 shows part of the circuit of Fig. 31 in more detail;

Fig. 33 zeigt schematisch den Aufbau eines Interpolators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;Fig. 33 shows schematically the structure of an interpolator according to a first embodiment;

Fig. 34 zeigt schematisch eine Interpolatorschaltung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, zusammen mit einer Zählerschaltung;Fig. 34 shows schematically an interpolator circuit according to a preferred embodiment of the invention, together with a counter circuit;

Fig. 35A - F zeigt schematisch Signale an verschiedenen Punkten von Fig. 34;Fig. 35A-F shows schematically signals at different points of Fig. 34;

VORRICHTUNG ZUR OBERFLÄCHEN- UND PROFILMESSUNGDEVICE FOR SURFACE AND PROFILE MEASUREMENT

Gemäß Fig. 1 enthält ein Oberflächenmesssystem allgemein ein Traggestell 100 mit einem Sockel 100a und einem Ständer 100b, an dem eine Vorschubeinheit 110 anbringbar ist. Die Vorschubeinheit kann an verschiedenen Vertikalpositionen am Ständer 100b angebracht werden. Von der Vorschubeinheit 110 aus erstreckt sich ein Halteelement oder ein Arm 120, der eine nach unten gerichtete Abnehmernadel oder eine Sonde 130 mit einem Stift mit sich verjüngender Spitze trägt.Referring to Figure 1, a surface measurement system generally includes a support frame 100 having a base 100a and a post 100b to which a feed unit 110 is mountable. The feed unit can be mounted at various vertical positions on the post 100b. Extending from the feed unit 110 is a support member or arm 120 which carries a downwardly directed pick-up needle or probe 130 having a pin with a tapered tip.

Zum Messen eines linearen Profils über eine Oberfläche eines Gegenstands 140 ist die Vorschubeinheit 110 mit einem Präzisionsmotor zum Ziehen des Haltearms 120 und der Sonde 130 linear nach innen über den Gegenstand 140 versehen. Die Vorschubeinheit 110 ist mit einer Ausgabeeinrichtung 150 zum Übertragen von Signalen in geeignetem Format an eine Anzeige oder eine Verarbeitungsvorrichtung wie ein Computerterminal oder eine Workstation 160 versehen.For measuring a linear profile across a surface of an object 140, the feed unit 110 is provided with a precision motor for pulling the support arm 120 and probe 130 linearly inward across the object 140. The feed unit 110 is provided with an output device 150 for transmitting signals in an appropriate format to a display or processing device such as a computer terminal or workstation 160.

Die Signale umfassen typischerweise ein die Höhe der Sonde 130 (und damit diejenige der Oberfläche des Gegenstands 140) sowie den Weg entlang dem Gegenstand, über den der Motor die Sonde verstellt hat, repräsentierendes Signal.The signals typically include a signal representing the height of the probe 130 (and thus that of the surface of the object 140) and the path along the object over which the motor moved the probe.

Gemäß Fig. 2 benötigt die Vorschubeinheit 110 zum Messen der Exzentrizität oder der Rundheit von z. B. Wellen keinen Linearantriebsmotor; stattdessen ist ein Drehmotor zum Drehen des Gegenstands 140 vorhanden, und entsprechend ist eine Ausgabeeinrichtung 170 vorhanden, die die Drehposition des Gegenstands repräsentiert.According to Fig. 2, the feed unit 110 for measuring the eccentricity or the roundness of e.g. shafts does not require a linear drive motor; instead a rotary motor is provided for rotating the object 140, and correspondingly, an output device 170 is provided which represents the rotational position of the object.

BEKANNTE INTERFEROMETRISCHE VORRICHTUNGENKNOWN INTERFEROMETRIC DEVICES

Gemäß Fig. 3 umfasst eine Vorschubeinheit 110 bei einem bekannten interferometrischen Messgerät einen Helium-Neon-Laser 111, eine parallel zur zu messenden Oberfläche (anders gesagt, im wesentlichen horizontal) angeordnete Achse 112, eine Schlitteneinheit 130 mit einem Motor, der an der Achse 112 angreift, um den Schlitten 113 entlang der Achse 112 (mittels eines Untersetzungsgetriebes) zu verstellen, einen Schlittenpositionssensor (nicht dargestellt), um ein die Position des Schlittens 113 entlang der Achse 112 repräsentierendes Signal zu erzeugen, und ein Aufnehmerrohr 114 zum Ausbilden eines relativ lichtdichten Mantels, der fest mit dem Schlitten 113 verbunden ist.According to Fig. 3, a feed unit 110 in a known interferometric Measuring device a helium-neon laser 111, an axis 112 arranged parallel to the surface to be measured (in other words, substantially horizontally), a carriage unit 130 with a motor which acts on the axis 112 in order to adjust the carriage 113 along the axis 112 (by means of a reduction gear), a carriage position sensor (not shown) for generating a signal representative of the position of the carriage 113 along the axis 112, and a pickup tube 114 for forming a relatively light-tight jacket which is firmly connected to the carriage 113.

Lichtleiter 115a, 115b lenken den Strahl vom Laser 111 zum Aufnehmerrohr 114 hin. Die Abnehmernadel 130 ist am Ende des Haltearms 120 befestigt, der mittels einer Drehachse 121 drehbar am Aufnehmerrohr 114 angebracht ist.Light guides 115a, 115b direct the beam from the laser 111 to the pickup tube 114. The pickup needle 130 is attached to the end of the holding arm 120, which is rotatably attached to the pickup tube 114 by means of a rotation axis 121.

Der Haltearm 120 steht über die Drehachse 121 über, und am anderen Ende des Arms 120 ist ein Reflektor 122 mit einem Eckreflektor angebracht. Der Eckreflektor definiert das Ende eines Arms eines Michelsoninterferometers, wie dargestellt, was keine weitere Beschreibung erforderlich macht, und eine Anordnung 123 aus einem Strahlteiler und einer Viertelwellenlängenplatte ist so angebracht, dass ein Paar Ausgangssignale erzeugt wird, die phasenmäßig um 90º verschoben sind. Die Signale werden an jeweilige photoelektrische Detektoren geliefert, die zur Streifenzählung jeweilige elektrische Sinus-und Kosinussignale erzeugen. Das Volumen des Lasers und des optischen Systems, das bei dieser Art von Interferometer erforderlich ist, ist aus Fig. 3 ersichtlich.The support arm 120 extends beyond the axis of rotation 121 and a reflector 122 having a corner reflector is mounted at the other end of the arm 120. The corner reflector defines the end of one arm of a Michelson interferometer as shown, which requires no further description, and a beam splitter and quarter wave plate assembly 123 is mounted to produce a pair of output signals that are 90° out of phase. The signals are supplied to respective photoelectric detectors which produce respective sine and cosine electrical signals for fringe counting. The volume of the laser and optical system required in this type of interferometer is shown in Fig. 3.

Wenn die Sonde 130 durch den an der Achse 112 entlanglaufenden Schlitten 113 über die Oberfläche des Gegenstands 140 gezogen wird, wird die Sonde 130 durch Schwerkraft auf die Oberfläche gedrückt, so dass sie entsprechend der Oberfläche ansteigt und abfällt; der Reflektor 122 fällt und steigt jeweils entsprechend, wodurch sich die Länge eines Pfads im Michelsoninterferometer ändert, was bewirkt, dass Streifen über die Strahlteileranordnung 123 laufen und die Signale an den Detektoren variieren. Die Detektorsignale werden durch die Anzeige- oder Ausgabeeinrichtung 160 verarbeitet, um für eine Wiedergabe des zu messenden Profils oder für entsprechende Daten zu sorgen.As the probe 130 is pulled across the surface of the object 140 by the carriage 113 running along the axis 112, the probe 130 is pressed against the surface by gravity so that it rises and falls according to the surface; the reflector 122 falls and rises accordingly, changing the length of a path in the Michelson interferometer, causing fringes to pass across the beam splitter assembly 123 and the signals at the detectors to vary. The detector signals are processed by the display or output device 160 to provide a representation of the profile being measured or corresponding data.

GITTERINTERFEROMETERGRATING INTERFEROMETER

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 erfolgt eine kurze Beschreibung für die Anwendung des bekannten Typs eines Gitterinterferometers auf Positionsmessungen.Referring to Fig. 4, a brief description is given for the application of the known type of grating interferometer for position measurements.

Ein Beugungsgitter 200 umfasst, beim Stand der Technik, eine Platte mit einer Anzahl paralleler, gerader Rippen auf einer Oberfläche, die mit einer ein Beugungsgitter festlegenden Schrittweite d voneinander beabstandet sind. Das Gitter 200 ist normal zur Linie der Rippen in der Gitterebene beweglich. Das Gitter 200 wird durch eine Lichtquelle 210 beleuchtet. Wenn das Gittermaterial transparent ist, kann die Beleuchtung von derjenigen Seite der Platte her erfolgen, die auf der anderen Seite als der mit dem Gitter liegt. Das Licht der Lichtquelle 210 ist vorzugsweise das von einem Laser, obwohl es möglich ist, da keine große Kohärenzlänge erforderlich ist, irgendeine andere kollimierte Quelle mit wohldefinierter Frequenz zu verwenden. Wenn der Linienabstand auf dem Gitter 200 und die Wellenlänge des Lichts von der Lichtquelle 210 von derselben Größenordnung sind, tritt Beugung auf; z. B. wird bei einer Lichtwellenlänge von 670 nm (durch eine Laserdiode erzeugbar) und einem Gitterabstand oder einer Schrittweite von 1/1200 mm = 833 nm, ein Paar starker Strahlen +1ter und -1ter unter Winkeln +/- &Theta; zur Normalen auf dem Gitter 200 erzeugt. &Theta; beträgt bei diesem Beispiel ungefähr 54º.A diffraction grating 200 comprises, in the prior art, a plate having a number of parallel, straight ridges on a surface spaced apart by a pitch d defining a diffraction grating. The grating 200 is movable normal to the line of ridges in the grating plane. The grating 200 is illuminated by a light source 210. If the grating material is transparent, illumination may be from the side of the plate other than that with the grating. The light from the light source 210 is preferably that from a laser, although since no large coherence length is required, it is possible to use any other collimated source of well-defined frequency. If the line spacing on the grating 200 and the wavelength of the light from the light source 210 are of the same order of magnitude, diffraction occurs; e.g. For example, with a light wavelength of 670 nm (produced by a laser diode) and a grating spacing or step size of 1/1200 mm = 833 nm, a pair of strong beams +1st and -1st are produced at angles +/- Θ to the normal on the grating 200. Θ in this example is approximately 54º.

Im Pfad der zwei Strahlen ist ein Paar Gitter 220a, 220b so positioniert, dass die Strahlen an einem räumlichen Punkt zusammengebracht werden, an dem eine Zusammensetzeinrichtung 230 positioniert ist. Die Spiegel 220a, 220b müssen nicht parallel sein; bei einem alternativen Aufbau kann jeder um einen gleichen Winkel, der jedoch richtungsmäßig zum anderen entgegengesetzt ist, zu seinem jeweiligen Strahlpfad/schräggestellt sein. Ferner müssen die Spiegel 220a, 220b nicht mit gleichem Abstand vom Gitter 200 angebracht sein. Es ist bevorzugt, dass die von jedem Strahl über die Spiegel zur Zusammensetzeinrichtung 230 zurückgelegten Wege gleiche Länge aufweisen, damit eine Lichtquelle mit kurzer Kohärenzlänge benutzt werden kann.In the path of the two beams, a pair of gratings 220a, 220b are positioned so that the beams are brought together at a spatial point at which a combiner 230 is positioned. The mirrors 220a, 220b need not be parallel; in an alternative configuration, each may be tilted to its respective beam path by an equal angle, but opposite in direction to the other. Furthermore, the mirrors 220a, 220b need not be equidistant from the grating 200. It is preferred that the paths traveled by each beam through the mirrors to the combiner 230 be of equal length so that a light source with a short coherence length can be used.

Die Zusammensetzeinrichtung 230 ist praktischerweise ein dichroitisches Strahlteilerprisma, könnte jedoch alternativ ein halbverspiegelter Spiegel sein. An einer Reflexionsfläche 532 innerhalb der Zusammensetzeinrichtung 230 wird zumindest ein Teil eines der Strahlen so reflektiert, dass er mit dem Pfad des zweiten Strahls zusammenfällt, der durch die Schicht 235 hindurchgestrahlt wird. Der Ausgangsstrahl C aus der Zusammensetzeinrichtung enthält demgemäß die beiden Beugungsstrahlen erster Ordnung vom Gitter 200.The compositor 230 is conveniently a dichroic beam splitter prism, but could alternatively be a half-mirrored mirror. At least a portion of one of the beams is reflected at a reflection surface 532 within the compositor 230 so as to coincide with the path of the second beam transmitted through the layer 235. The output beam C from the compositor thus contains the two first order diffraction beams from the grating 200.

Wenn eine dichroitische Zusammensetzeinrichtung 230 verwendet wird, weisen jedoch die durchgestrahlten und reflektierten Anteile des kombinierten Strahls C verschiedene Polarisationen auf. Daher ist ein Analysator 240a mit einer Polarisationsfolie im Pfad des zusammengesetzten Strahls C vorhanden, wobei die Polarisationsachse zwischen den Polarisationen des reflektierten und des zusammengesetzten Anteils des Strahls liegt, um von jedem Anteil jeweils denselben Anteil hindurchzulassen; nach dem Hindurchlaufen durch den Analysator 240a enthält der zusammengesetzte Strahl daher einen Strahl, dessen Amplitude die Summe aus den Amplituden der zwei Beugungsstrahlen vom Gitter 200 ist. Ein photoelektrischer Detektor oder irgendein anderer optischer Aufnehmer oder Detektor ist daher im Strahl hinter dem Analysator 240a positioniert.However, when a dichroic combiner 230 is used, the transmitted and reflected portions of the combined beam C have different polarizations. Therefore, an analyzer 240a with a polarizing film is provided in the path of the combined beam C with the polarization axis lying between the polarizations of the reflected and combined portions of the beam to allow the same portion of each to pass through; after passing through the analyzer 240a, the combined beam therefore contains a beam whose amplitude is the sum of the amplitudes of the two diffracted beams from the grating 200. A photoelectric detector or some other optical pickup or detector is therefore positioned in the beam behind the analyzer 240a.

Wenn die Zusammensetzeinrichtung 230 ein dichroitisches Prisma ist, kann auch ein zweiter zusammengesetzter Strahl D erzeugt werden, der in gleicher Weise beide Beugungsordnungen, jedoch mit jeweils rechtwinkligen Polarisationen umfasst, und ein zweiter Analysator 240b mit einem Polarisator mit einer Polarisation zwischen derjenigen der zwei Strahlen ist entsprechend vorhanden, um ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen, das der Summe der Amplituden der zwei Beugungsstrahlen entspricht. Dieser zweite Ausgangsstrahl kann dazu verwendet werden, ein zweites Signal zu liefern, das mit einer festen Phasennacheilung, z. B. 90º, dem Ausgangssignal des Analysators 240a nacheilt, wenn eine Transmissionsplatte 250 mit einer Dicke angebracht wird, die einer optischen Pfadlänge eines entsprechenden Bruchteils der Wellenlänge der Lichtquelle 210 entspricht, z. B. eine Viertelwellenplatte.If the compositing device 230 is a dichroic prism, a second composite beam D can also be produced, similarly comprising both diffraction orders but with respective right-angled polarizations, and a second analyzer 240b having a polarizer with a polarization intermediate that of the two beams is provided accordingly to produce a second output signal corresponding to the sum of the amplitudes of the two diffracted beams. This second output beam can be used to provide a second signal lagging the output of the analyzer 240a by a fixed phase lag, e.g. 90°, if a transmission plate 250 is provided with a thickness corresponding to an optical path length of a corresponding fraction of the wavelength of the light source 210, e.g. a quarter-wave plate.

An einer vorbestimmten Querposition befinden sich die zwei vom Beugungsgitter 200 erzeugten Strahlen erster Ordnung in Phase, weswegen der Strahl am Ausgang der Zusammensetzeinrichtung 240a eine Sinuswelle ist, die die doppelte Amplitude eines der Beugungsstrahlen aufweist. Wenn die endliche Länge des Gitters 200 vernachlässigt wird, erscheint dieses Gitter 200, wenn es quer um einen Weg verschoben wird, der einer Gitterperiode oder einer ganzen Anzahl derselben entspricht, optisch identisch; daher sind die Amplituden des zusammengesetzten Strahls hinter dem Analysator 240a gleich und maximal, wenn sich das Gitter an Positionen befindet, die um eine Gitterperiode voneinander beabstandet sind.At a predetermined transverse position, the two first order beams produced by the diffraction grating 200 are in phase, and therefore the beam at the output of the combiner 240a is a sine wave having twice the amplitude of one of the diffracted beams. If the finite length of the grating 200 is neglected, this grating 200, when translated transversely by a distance corresponding to one grating period or an integer number thereof, appears optically identical; therefore, the amplitudes of the combined beam behind the analyzer 240a are equal and maximum when the grating is at positions spaced apart by one grating period.

Wenn dagegen das Gitter 200 quer um einen Abstand verschoben wird, der nicht einer ganzen Zahl der Gitterperioden entspricht, sind die Phasen der zwei gebeugten Strahlen um gleiche aber entgegengesetzte Werte verschoben. Anders gesagt, ist die Phase des Strahls der einen Ordnung nach vorne verschoben und diejenige des anderen ist nach hinten verschoben. Die Auswirkung der Phasenverschiebung ist die, dass die zwei Komponenten des zusammengesetzten Strahls C um das Doppelte der Phasenverschiebung phasenversetzt sind, was die Amplitude des vom Analysator 240a ausgegebenen zusammengesetzten Strahls verringert. Wenn der eine Strahl um 90º nach vorne und der andere um 90º nach hinten verschoben ist, sind die zwei Komponenten des zusammengesetzten Strahls um 180º gegeneinander phasenverschoben und die Amplitude des zusammengesetzten Strahls hinter dem Analysator 280 liegt nahe bei null (oder in jedem Fall beim Minimum). Wenn das Gitter um die Hälfte seiner Schrittweite verschoben wird, wird die Phase jedes Beugungsstrahls um 180º verschoben, so dass die Phasendifferenz zwischen den beiden im zusammengesetzten Ausgangssignal des Analysators 240a 360º beträgt -anders gesagt, sie sind wieder in Phase.If, however, the grid 200 is shifted transversely by a distance that does not correspond to an integer number of the grating periods, the phases of the two diffracted beams are shifted by equal but opposite amounts. In other words, the phase of the beam of one order is shifted forward and that of the other is shifted backward. The effect of the phase shift is that the two components of the composite beam C are out of phase by twice the phase shift, which reduces the amplitude of the composite beam output from analyzer 240a. If one beam is shifted forward by 90º and the other is shifted backward by 90º, the two components of the composite beam are 180º out of phase with each other and the amplitude of the composite beam behind analyzer 280 is close to zero (or in any case the minimum). If the grating is shifted by half its step size, the phase of each diffracted beam is shifted by 180º, so that the phase difference between the two in the composite output of analyzer 240a is 360º - in other words, they are back in phase.

Zusammengefasst gesagt, würde ein Detektor, der so positioniert ist, dass er die Amplitude des Strahls hinter dem Analysator 240a misst, wenn das Beugungsgitter 200 querverschoben wird, bei Gitterpositionen, die um die Hälfte der Gitterperiode voneinander beabstandet sind, Amplitudenmaximal messen, die durch dazwischenliegende dunkle Streifen oder Amplitudenminima getrennt sind; die Strahlamplitude ist im allgemeinen eine sinusförmige, nach Positiv laufende Funktion der Querposition des Gitters 200.In summary, a detector positioned to measure the amplitude of the beam behind the analyzer 240a as the diffraction grating 200 is transversely translated would measure amplitude maximums at grating positions spaced apart by half the grating period, separated by intervening dark stripes or amplitude minima; the beam amplitude is generally a sinusoidal, positive-going function of the transverse position of the grating 200.

So ist es ersichtlich, dass das vorstehend veranschaulichte Gitterinterferometer die Phasenänderung in einem Lichtstrahl misst, der an einem Gitter gebeugt wird, das querverschoben wird; daher ist es ersichtlich, dass anstatt der Beugungsstrahlen erster Ordnung ein Paar Beugungsstrahlen höherer Ordnung verwendet werden könnte. Auch wäre es möglich, die Phasenverschiebung der Beugungsstrahlen auf andere Weise als unter Verwendung eines Paars Beugungsstrahlen gleicher, jedoch entgegengesetzter Ordnung herzuleiten; z. B. könnte als Bezugsphasenquelle der Einfallsstrahl aus der Lichtquelle 210 verwendet werden.Thus, it can be seen that the grating interferometer illustrated above measures the phase change in a light beam diffracted by a grating that is transversely translated; therefore, it can be seen that instead of the first order diffracted beams, a pair of higher order diffracted beams could be used. It would also be possible to derive the phase shift of the diffracted beams in a manner other than using a pair of diffracted beams of the same but opposite order; e.g., the incident beam from the light source 210 could be used as the reference phase source.

Jedoch besteht der Vorteil der Verwendung einer symmetrischen Anordnung vom in Fig. 4 veranschaulichten Typ darin, dass die von den zwei Strahlen zurückgelegten optischen Pfadlängen praktisch gleichgemacht werden können. Um Interferenz zu erzeugen, muss die optische Pfadlänge zwischen den von den zwei Strahlen zurückgelegten Pfadlängen unter der Kohärenzlänge der Licht quelle gehalten werden. Demgemäß wäre es zwar möglich, verschiedene optische Pfadlängen zu verwenden, falls eine Laserquelle mit hoher Kohärenzlänge (wie ein Helium-Neon-Laser) bereitgestellt wäre, jedoch ermöglicht die Verwendung symmetrischer, ungefähr gleicher optischer Pfadlängen den Gebrauch von Lichtquellen mit kurzer Kohärenz, wie Halbleiterlaserdioden, die eine Kohärenzlänge von nur einem Bruchteil eines Millimeters aufweisen können. Wenn die zwei Pfadlängen ausreichend ähnlich sind, könnte anstelle eines Lasers eine im wesentlichen inkohärente Lichtquelle verwendet werden.However, the advantage of using a symmetrical arrangement of the type illustrated in Fig. 4 is that the optical path lengths travelled by the two beams can be made practically equal. In order to produce interference, the optical path length between the beams travelled by the two beams are kept below the coherence length of the light source. Accordingly, while it would be possible to use different optical path lengths if a laser source with a high coherence length (such as a helium-neon laser) were provided, the use of symmetrical, approximately equal optical path lengths enables the use of short coherence light sources such as semiconductor laser diodes which may have a coherence length of only a fraction of a millimetre. If the two path lengths are sufficiently similar, a substantially incoherent light source could be used instead of a laser.

Zum Beispiel könnte eine rote LED (Lichtemissionsdiode), die bei einer Wellenlänge von z. B. 650 nm arbeitet, verwendet werden, wobei der Strahl derselben durch ein schmalbandiges optisches Filter mit einer Bandbreite von ungefähr 1 mm gefiltert würde; dies würde eine Kohärenzlänge von ungefähr 400 µm liefern, was ausreicht, wenn das obige Ausführungsbeispiel verwendet wird, da die Pfadlängen zumindest mit dieser Genauigkeit im wesentlichen gleich sind. Um den Strahl von LED zu kollimieren, ist bei diesem Ausführungsbeispiel auch ein Blendenloch vorhanden. Es ist bevorzugt, eine monochromatische Quelle wie eine LED statt einer völlig inkohärenten oder breitbandigen Quelle zu verwenden, da dies das Auftreten farbiger Streifen im Interferenzmuster vermeidet.For example, a red LED (light emitting diode) operating at a wavelength of, say, 650 nm could be used, the beam from which would be filtered by a narrow band optical filter with a bandwidth of about 1 mm; this would provide a coherence length of about 400 µm, which is sufficient when using the above embodiment, since the path lengths are substantially the same, at least to this accuracy. In order to collimate the beam from the LED, an aperture is also present in this embodiment. It is preferred to use a monochromatic source such as an LED rather than a completely incoherent or broadband source, since this avoids the appearance of colored fringes in the interference pattern.

Wenn ein Paar gegeneinander phasenverschobener Ausgangsstrahlen C, D erzeugt wird, wie in Fig. 4 dargestellt, können die Amplituden der zwei Strahlen so verarbeitet werden, dass ein Hinweis auf die Verschiebungsrichtung des Gitters 200 hergeleitet wird.If a pair of mutually phase-shifted output beams C, D are generated as shown in Fig. 4, the amplitudes of the two beams can be processed to derive an indication of the direction of translation of the grating 200.

Das Profil der Rippen auf dem Gitter 200 beeinflusst die Relativstärken der Beugungsstrahlen verschiedener Ordnungen; es ist ein ungefähr sinusförmiges Profil bevorzugt, wenn, wie hier, starke Beugungsstrahlen erster Ordnung erforderlich sind. Anstatt das Beugungsgitter in Form einer Vielzahl von Rippen auszubilden, ist es möglich, stattdessen ein Amplitudengitter bereitzustellen, das abwechselnde reflektierende und absorbierende Streifen aufweist.The profile of the ribs on the grating 200 affects the relative strengths of the diffracted beams of different orders; an approximately sinusoidal profile is preferred when, as here, strong first order diffracted beams are required. Rather than forming the diffraction grating in the form of a plurality of ribs, it is possible to instead provide an amplitude grating having alternating reflective and absorbing stripes.

Der Effekt des Varuerens der Wellenlänge der Lichtquelle 210 besteht darin, den Beugungswinkel &Theta; der Beugungsstrahlen gemäß sin &Theta; = m &lambda;/d zu ändem, wobei &lambda; die Wellenlänge ist. Für den Fall, dass eine Änderung der Wellenlänge auftritt, sollten die Spiegel 220a, 220b, die Zusammensetzeinrichtung 230 und die Analysatoren 240 usw. ausreichend breit gemacht werden, um den erweiterten Beugungswinkelbereich aufzufangen.The effect of varying the wavelength of the light source 210 is to change the diffraction angle Θ of the diffracted rays according to sin Θ = m λ/d, where λ is the wavelength. In case a change in wavelength occurs, the mirrors 220a, 220b, the compositing device 230 and the analyzers 240 etc. must be made sufficiently wide to accommodate the extended diffraction angle range.

Schließlich sei darauf hingewiesen, dass es der Effekt der Verstellung des Gitters 200 rechtwinklig zu seiner Ebene ist, die Beugungsstrahlen zusammen in entsprechender Richtung zu verschieben; dies würde daher schließlich die Strahlpfade so verschieben, dass sie eine der optischen Komponenten des Interferometers oder mehrere nicht mehr enthalten würden. Der Effekt einer Winkeldrehung des Gitters 200 ist jedoch deutlich ausgeprägter, da die Winkel der Beugungsstrahlen in entgegengesetzter Richtung verschoben werden. Daher werden die Strahlen an der Zusammensetzeinrichtung 230 schnell ausser Koinzidenz gebracht, was zu einem Ausfall des Betriebs der Vorrichtung führt. So ist der Betrieb des in Fig. 4 dargestellten Interferometers auf eine Winkelfehlausrichtung zwischen dem Gitter 200 und den anderen Komponenten des Interferometers beträchtlich empfindlicher als auf entweder eine Längsverschiebung des Gitters 200 oder eine Verschiebung der Wellenlänge der Lichtquelle 210.Finally, it should be noted that the effect of moving the grating 200 perpendicular to its plane is to shift the diffracted beams together in corresponding directions; this would therefore eventually shift the beam paths so that they would no longer include one or more of the optical components of the interferometer. However, the effect of angularly rotating the grating 200 is much more pronounced, since the angles of the diffracted beams are shifted in opposite directions. Therefore, the beams quickly become out of coincidence at the compositor 230, resulting in failure of the device to operate. Thus, the operation of the interferometer shown in Figure 4 is considerably more sensitive to angular misalignment between the grating 200 and the other components of the interferometer than to either longitudinal displacement of the grating 200 or wavelength displacement of the light source 210.

ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIELFIRST EXAMPLE OF IMPLEMENTATION

Gemäß Fig. 5, die im wesentlichen Fig. 3 entspricht und in der gleiche Teile entsprechend markiert sind, umfasst eine Vorschubeinheit 110, eine Querachse 112 und einen Schlitten 113, der entlang der Achse 112 durch einen Motor (z. B. einen über ein Untersetzungsgetriebe angetriebenen Gleichstrommotor) entlang der Achse 112 verstellbar ist. Eine Sonde oder eine Abnehmernadel 130 ist nahe einem Ende eines Halteelements oder Arms 120 vorhanden, der mittels eines Drehlagers 121 an einer Aufnehmerkörperanordnung 114 angebracht ist, die fest mit dem Schlitten 113 verbunden ist. Auch sind eine Signalverarbeitungsschaltung 155, die elektrische Signale vom Körper 114 empfängt, wie unten erörtert, und ein Ausgangsport 150 vorhanden, der Ausgangssignale von der Signalverarbeitungsschaltung 155 liefert. Ferner sind, was der Deutlichkeit halber weggelassen ist, eine Spannungsversorgung und Steuerleitungen für den Schlittenmotor sowie eine Positionsausgabeschaltung vorhanden, die ein die Schlittenposition auf der Achse 112 liefert, zusammen mit Spannungsversorgungsleitungen für den Körper 114 und die Signalverarbeitungsschaltung 155.Referring to Fig. 5, which corresponds substantially to Fig. 3 and in which like parts are labeled accordingly, a feed unit 110 includes a transverse axis 112 and a carriage 113 which is adjustable along the axis 112 by a motor (e.g., a DC motor driven by a reduction gear). A probe or pickup needle 130 is provided near one end of a support member or arm 120 which is attached by a pivot bearing 121 to a pickup body assembly 114 which is fixedly connected to the carriage 113. Also provided is a signal processing circuit 155 which receives electrical signals from the body 114, as discussed below, and an output port 150 which provides output signals from the signal processing circuit 155. Also included, omitted for clarity, are a power supply and control lines for the carriage motor and a position output circuit that provides the carriage position on the axis 112, along with power supply lines for the body 114 and the signal processing circuit 155.

Gemäß Fig. 6 sind innerhalb des Körpers 114 eine Lichtquelle 310 mit einer Laserdiode mit einer Wellenlänge von ungefähr 670 nm und eine Kollimatorlinse im Strahl vorhanden. Der Haltearm 120 erstreckt sich über das Drehlager 121 in einen Teil 123, an dessen Ende eine optische Komponente mit gekrümmter Fläche angebracht ist, deren Krümmung mit derjenigen eines Kreisbogens übereinstimmt, dessen Zentrum im Drehlager 121 liegt. Auf der gekrümmten Fläche ist ein Beugungsgitter mit einer Vielzahl paralleler Beugungsmerkmale vorhanden, die parallel zur Drehachse 121 geneigt sind. Licht von der Lichtquelle 310 wird gerade durch ein Prisma 317 normal zur Oberfläche auf dem Beugungsgitter 300 gerichtet. Zwei vom Beugungsgitter 300 erzeugte Beugungsstrahlen erster Ordnung treten in das unten detaillierter erörterte Prisma 317 ein, das zwei Ausgangsstrahlen erzeugt, von denen jeder durch einen jeweiligen Ausgangsanalysator 340a, 340b mit einem Strahlteilerprisma läuft. Einem Strahlteilerprisma 340b geht eine Viertelwellenlängenplatte 350 voraus. An zwei Flächen jedes Analysatorstrahlteilers 340a, 340b befinden sich jeweilige Detektoren 341a, 342a, 341b, 342b (in Fig. 6 nicht dargestellt). Jeder Detektor umfasst eine auf die Amplitude des auftreffenden Lichts reagierende Photodiode, um ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen.According to Fig. 6, within the body 114 there is a light source 310 with a laser diode having a wavelength of approximately 670 nm and a collimator lens present in the beam. The support arm 120 extends over the pivot bearing 121 into a portion 123 at the end of which is mounted an optical component having a curved surface whose curvature corresponds to that of an arc of a circle whose center lies in the pivot bearing 121. On the curved surface there is a diffraction grating having a plurality of parallel diffractive features inclined parallel to the axis of rotation 121. Light from the light source 310 is directed straight through a prism 317 normal to the surface on the diffraction grating 300. Two first order diffraction beams produced by the diffraction grating 300 enter the prism 317 discussed in more detail below which produces two output beams each of which passes through a respective output analyzer 340a, 340b having a beam splitter prism. Beam splitter prism 340b is preceded by a quarter wave plate 350. On two surfaces of each analyzer beam splitter 340a, 340b are respective detectors 341a, 342a, 341b, 342b (not shown in Fig. 6). Each detector includes a photodiode responsive to the amplitude of the incident light to produce a corresponding electrical output signal.

Auch ist im Pfad zwischen der Lichtquelle 310 und dem Beugungsgitter 300 eine Linse 318 vorhanden, die so wirkt, dass sie den kollimierten Strahl von der Lichtquelle 310 bündelt, um die durch die Krümmung des Beugungsgitters 300 erzeugte Divergenz zu verringern, wie dies unten detaillierter erörtert wird.Also present in the path between the light source 310 and the diffraction grating 300 is a lens 318 which acts to collimate the collimated beam from the light source 310 to reduce the divergence created by the curvature of the diffraction grating 300, as discussed in more detail below.

Ferner ist, mit dem Haltearm 123 verbunden, eine Vorspannungskraftanordnung 400 mit einer linearen Elektromagnetspule 410, die einen linearen Magnetanker oder ein Polstück 420 umgibt, das mit dem Haltearm 123 so verbunden ist, dass es eine Zug- oder Druckkraft auf diesen entsprechend dem an die Spule 410 gelieferten Strom ausübt, vorhanden.Further, connected to the support arm 123, there is a biasing force assembly 400 comprising a linear solenoid coil 410 surrounding a linear solenoid armature or pole piece 420 connected to the support arm 123 so as to exert a tensile or compressive force thereon in accordance with the current supplied to the coil 410.

Die Schrittweite des Gitters und sein Abstand von der Drehachse 121 stehen in gewissem Ausmaß miteinander in Beziehung, da das Verhältnis der Bewegung des Messinstruments zur Bewegung der Sonde durch das Verhältnis der Armabschnitte 120 und 123, oder anders gesagt, die radialen Auslenkungen der Sonde 130 und der Gitterfläche 301 bestimmt wird. Die Schrittweite des Gitters wird in bestimmter Weise durch die Wellenlänge der verfügbaren Lichtquelle und durch Begrenzungen des zum Herstellen des Gitters verwendeten Verfahrens bestimmt.The pitch of the grating and its distance from the axis of rotation 121 are to some extent related, since the ratio of the movement of the measuring instrument to the movement of the probe is determined by the ratio of the arm sections 120 and 123, or in other words, the radial deflections of the probe 130 and the grating surface 301. The pitch of the grating is determined in some way by the wavelength of the available light source and by limitations of the process used to make the grating.

Bei einer vorgegebenen Gittergröße steht der vom Gitter zurückgelegte Weg (und damit die Anzahl der durch diese Verschiebung erzeugten Streifen) relativ zu dem von der Sonde zurückgelegten im Verhältnis ihrer jeweiligen Abstände von der Drehachse 121. Aus diesem Grund ist ein relativ langer Armabschnitt 123 erwünscht. Andererseits dämpft, wenn der Arm 123 zu lang ist, die Trägheitskraft um die Drehachse 121 die Ansprechzeit der Messeinrichtung. Beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt 123 (von der Drehachse zur Gitterfläche 301) so gewählt, dass er ungefähr die Hälfte der Länge des Haltearms 120 ausmacht. Für eine Oberflächenmessung beträgt die Länge des Haltearms 120 typischerweise 60 mm.For a given grid size, the distance traveled by the grid (and hence the number of fringes produced by this displacement) is relative to that traveled by the probe in proportion to their respective distances from the axis of rotation 121. For this reason, a relatively long arm section 123 is desirable. On the other hand, if the arm 123 is too long, the inertial force about the axis of rotation 121 will dampen the response time of the measuring device. In the illustrated embodiment, the section 123 (from the axis of rotation to the grid surface 301) is chosen to be approximately half the length of the support arm 120. For a surface measurement, the length of the support arm 120 is typically 60 mm.

Nun wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 die Funktion der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung detaillierter erörtert. Die Laserdiode 311 wird aktiviert, um einen Ausgangslaserstrahl zu erzeugen, der typischerweise durch eine Kollimatorlinse 312 kollimiert wird. Typischerweise hat der von der Laserdiode und der Kollimatorlinse erzeugte Strahl eine Weite von ungefähr 2 mm. Der kollimierte Strahl durchläuft eine transparente Halbwellenplatte 319, die vorhanden ist, um eine Einstellung der Polarisationsrichtung des Strahls zu ermöglichen. Der Lichtstrahl wird durch eine Zylinderlinse 318 geführt, die den kollimierten Strahl bündelt. Gemäß Fig. 8a würde der kollimierte Strahl beim Fehlen der Zylinderlinse 318 divergierende Beugungsausgangsstrahlen erzeugen, wenn eine Beugung durch das konvex gekrümmte Beugungsgitter 300 erfolgt.Referring now to Figure 7, the operation of the device shown in Figure 6 will be discussed in more detail. The laser diode 311 is activated to produce an output laser beam which is typically collimated by a collimator lens 312. Typically, the beam produced by the laser diode and collimator lens has a width of approximately 2 mm. The collimated beam passes through a transparent half-wave plate 319 which is present to allow adjustment of the polarization direction of the beam. The light beam is passed through a cylindrical lens 318 which collimates the collimated beam. As shown in Figure 8a, in the absence of the cylindrical lens 318, the collimated beam would produce diverging diffracted output beams when diffracted by the convex curved diffraction grating 300.

Durch Anbringen der Zylinderlinse 318 wird im Eingangsstrahl eine entsprechende Konvergenz erzeugt, so dass die Beugungsstrahlen aus dem Beugungsgitter kollimiert sind, wie es in Fig. 8b dargestellt ist. Die Linse 318 kann auch jede Divergenz oder Konvergenz im Strahl aus der Lichtquelle 310 korrigieren.By attaching the cylindrical lens 318, an appropriate convergence is created in the input beam so that the diffracted rays from the diffraction grating are collimated, as shown in Fig. 8b. The lens 318 can also correct any divergence or convergence in the beam from the light source 310.

Dann wird der Strahl normal an der Endfläche des Prismas 317 empfangen und er läuft entlang der zentralen Symmetrieachse des Prismas 317 und trifft rechtwinklig auf die Oberfläche des Beugungsgitters 300.Then the beam is received normally at the end face of the prism 317 and it travels along the central axis of symmetry of the prism 317 and impinges perpendicularly on the surface of the diffraction grating 300.

Da die das Beugungsgitter tragende Fläche 301 auf einer zylindrischen Fläche angeordnet ist, die um die Drehachse 121 zentriert ist, ist der Abschnitt der Fläche 301, auf den der Lichtstrahl trifft (oder genauer gesagt, die Tangente an dieser Fläche) immer rechtwinklig zum Lichtstrahl, unabhängig von der Ausrichtung des Dreharms 123 zur Drehachse 121. Demgegenüber würde sich, wenn das Gitter auf einer ebenen Fläche vorhanden wäre, der Winkel zwischen dem Gitter und dem Lichtstrahl bei einer Drehung um die Drehachse 121 verschieben, was auch für den Abstand von der Lichtquelle 310 und dem Prisma 317 gelten würde.Since the surface 301 carrying the diffraction grating is arranged on a cylindrical surface centered around the axis of rotation 121, the portion of the surface 301 onto which the light beam strikes (or more precisely, the tangent to this surface) is always perpendicular to the light beam, regardless of the orientation of the rotary arm 123 to the axis of rotation 121. In contrast, If the grating were present on a flat surface, the angle between the grating and the light beam would shift upon rotation about the axis of rotation 121, which would also apply to the distance from the light source 310 and the prism 317.

Es wird ein Paar Beugungsstrahlen erster Ordnung mit einem Winkel e erzeugt, der von der Beleuchtungswellenlänge &lambda; und der Schrittweite oder dem Abstand zwischen Gitterlinien abhängt; bei einer Schrittweite von 1200 Linien/mm und einer Beleuchtungswellenlänge von 670 nm beträgt der Beugungswinkel &Theta; gegen die Normalachse auf dem Gitter ungefähr 54º. Die zwei gebeugten Strahlen treten in die hintere, ebene Fläche des Prismas 317 ein und werden dabei um ein Ausmaß gebrochen, das vom Brechungsindex desselben abhängt. Die gebrochenen Strahlen treffen jeweils auf eine jeweilige Seitenfläche 320a, 320b des Prismas und werden, vorausgesetzt, dass ihr Eintrittswinkel in diese größer als der kritische Winkel für interne Totalreflexion hinsichtlich des Materials, aus dem das Prisma besteht, ist, zum Zentrum des Prismas zurückreflektiert. Die Schrägstellungen der Flächen 320a, 320b zum Zentrum des Prismas sind gleich und entgegengesetzt, so dass sich die zwei Strahlen am selben Punkt in der Mitte des Prismas treffen.A pair of first order diffracted beams are produced with an angle e that depends on the illumination wavelength λ and the pitch or distance between grating lines; for a pitch of 1200 lines/mm and an illumination wavelength of 670 nm, the angle of diffraction θ against the normal axis on the grating is approximately 54º. The two diffracted beams enter the rear flat surface of the prism 317 and are refracted by an amount that depends on the refractive index of the same. The refracted beams each strike a respective side surface 320a, 320b of the prism and, provided that their angle of entry therein is greater than the critical angle for total internal reflection with respect to the material of which the prism is made, are reflected back to the center of the prism. The inclinations of the surfaces 320a, 320b to the center of the prism are equal and opposite, so that the two rays meet at the same point in the center of the prism.

Entlang der in Längsrichtung verlaufenden Mittelebene des Prismas ist eine dichroitische Schicht 335 angeordnet, wie es herkömmlich ist, um auf einen einfallenden Strahl dadurch zu reagieren, dass ein Teil desselben in einer ersten Polarisationsebene durchgelassen und ein Teil desselben in einer zweiten Polarisationsebene (Polarisationen S und P) reflektiert wird.A dichroic layer 335 is disposed along the longitudinal center plane of the prism, as is conventional, to respond to an incident beam by transmitting a portion of it in a first polarization plane and reflecting a portion of it in a second polarization plane (polarizations S and P).

Die ebene Schicht 335 reflektiert daher einen Teil jedes Beugungsstrahls in Übereinstimmung mit dem durchgelassenen Anteil des anderen, um zusammengesetzte Ausgangsstrahlen zu erzeugen. Jedoch zeigen in jedem zusammengesetzten Strahl die reflektierten und transmittierten Anteile verschiedene Polarisationen und ihre Amplituden sind daher nicht additiv. Jeder Strahl verlässt das Prisma 317 durch eine Endfläche, die normal zum Strahlpfad geneigt ist. Ein Strahl tritt in einen Analysator 340a ein; der zweite tritt vor dem Eintreten in einen Analysator 340b in eine Viertelwellenplatte 350 ein.The planar layer 335 therefore reflects a portion of each diffracted beam in accordance with the transmitted portion of the other to produce composite output beams. However, in each composite beam, the reflected and transmitted portions exhibit different polarizations and their amplitudes are therefore not additive. Each beam exits the prism 317 through an end face inclined normal to the beam path. One beam enters an analyzer 340a; the second enters a quarter wave plate 350 before entering an analyzer 340b.

Jeder Analysator 340 umfasst ein weiteres Strahlteilerprisma, von denen jedes ein kubisches Prisma umfasst, das entlang einer Diagonalebene zerschnitten ist, einschließlich einer dichroitischen Schichtstruktur zwischen den zwei Hälften desselben. Die Wirkung der dichroitischen Schicht in der 45º-Diagonalebene jedes Analysators ist die, als Strahlteiler zu wirken, einen Teil eines einfallenden Strahls durchzulassen und einen zweiten zu reflektieren. Die Drehausrichtung der Diagonalebene jedes Strahlteilers 340a, 340b ist so ausgewählt, dass sowohl der reflektierte als auch der transmittierte, von ihm erzeugte Strahl einen gleichen Anteil der Polarisationen S und P in den Ausgangsstrahl des Prismas 317 übergibt, wodurch ein gleicher Anteil jeder der Beugungsordnungen aus dem Beugungsgitter 300 enthalten ist. Die Strahlteilerprismen 340a, 340b sind daher drehend um 45º zu den Ebenen des Prismas 317 geneigt, denen sie zugewandt sind. Geschickterweise ist der Strahlteiler 340a klebend auf eine Endfläche des Prismas 317 zementiert und die Viertelwellenplatte 350 und der Strahlteiler 340 sind in dieser Reihenfolge aufeinander zementiert.Each analyzer 340 includes a further beam splitter prism, each of which comprises a cubic prism cut along a diagonal plane, including a dichroic layer structure between the two halves thereof. The effect of the dichroic layer in the 45° diagonal plane of each analyzer is to act as a beam splitter, passing a portion of an incident beam and reflecting a second. The rotational orientation of the diagonal plane of each beam splitter 340a, 340b is selected so that both the reflected and transmitted beams produced by it pass an equal portion of the S and P polarizations into the output beam of prism 317, thereby containing an equal portion of each of the diffraction orders from diffraction grating 300. Beam splitter prisms 340a, 340b are therefore rotationally inclined at 45° to the planes of prism 317 to which they face. Conveniently, the beam splitter 340a is adhesively cemented to one end face of the prism 317, and the quarter-wave plate 350 and the beam splitter 340 are cemented to each other in that order.

Ein Photodetektor (z. B. eine Photodiode) 314a, 314b ist vorhanden, um den Reflexionsstrahl von jedem jeweiligen Analysator 340a, 340b zu empfangen, und ein weiterer Detektor 342a, 342b ist vorhanden, um den transmittierten Ausgangsstrahl eines jeweiligen Strahlteilers 340a, 340b zu empfangen. Der reflektierte Ausgangsstrahl ist in jedem Fall auf Grund der Reflexion um 180º phasenverschoben.A photodetector (e.g., a photodiode) 314a, 314b is provided to receive the reflection beam from each respective analyzer 340a, 340b, and another detector 342a, 342b is provided to receive the transmitted output beam of a respective beam splitter 340a, 340b. The reflected output beam is in each case 180º out of phase due to the reflection.

Gemäß Fig. 9 ist ein Kurvenbild dargestellt, das das Ausgangssignal jedes Detektors für eine Drehauslenkung &Theta; des Gitters 300 zeigt, die der Hälfte der Auslenkung zwischen benachbarten Gitterlinien entspricht. Obwohl idealerweise das Ausgangssignal jedes Detektors bezogen auf die Gitterauslenkung sinusförmig im Bereich zwischen null und einem Maximalwert liegt, zeigt es sich in der Praxis, dass es zwischen einem Maximalwert und einem von null verschiedenen Minimalwert variiert (auf Grund des Umgebungslichts und der endlichen Strahl- und Gittergröße, u.a.). Die Minimal- und die Maximalintensität sind im reflektierten und transmittierten Strahl gleich, oder können gleich gemacht werden, jedoch ist, wie oben angegeben, die Sinuskomponente um 180º phasenverschoben.Referring to Fig. 9, a graph is shown showing the output of each detector for a rotational displacement Θ of the grating 300 equal to half the displacement between adjacent grating lines. Although ideally the output of each detector is sinusoidal with respect to the grating displacement ranging between zero and a maximum value, in practice it is found to vary between a maximum value and a non-zero minimum value (due to ambient light and the finite beam and grating size, among other factors). The minimum and maximum intensities are equal in the reflected and transmitted beams, or can be made equal, but as stated above the sinusoidal component is 180° out of phase.

Anstatt eines der reflektierten oder transmittierten Ausgangssignale direkt zu verwenden, ist bei diesem Ausführungsbeispiel die auf das Zählen der Streifen folgende Signalverarbeitung dadurch vereinfacht, dass ein Paar Detektoren 342a, 341a oder 342b, 341b vorhanden ist und ihre elektrischen Ausgangssignale voneinander subtrahiert werden, um die in Fig. 9C veranschaulichten subtrahierten Signale zu liefern. Das Ergebnis (nicht maßstabsgetreu dargestellt) ist ein sich sinusförmig änderndes Signal mit der doppelten Amplitude der Sinuskomponenten der einzelnen Detektorausgangssignale, mit einer Zentrierung um null, da die Gleichspannungskomponenten der zwei Signale bei der Substraktion aufgehoben sind.In this embodiment, rather than using one of the reflected or transmitted output signals directly, the signal processing following the counting of the fringes is simplified by having a pair of detectors 342a, 341a or 342b, 341b and subtracting their electrical output signals from each other to provide the subtracted signals illustrated in Fig. 9C. The result (not to scale) shown) is a sinusoidally varying signal with twice the amplitude of the sinusoidal components of the individual detector output signals, centered around zero because the DC components of the two signals are canceled upon subtraction.

Gekrümmtes Gitter 300Curved Grid 300

Gemäß Fig. 10 umfasst das Gitter 300 beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel einen Glasblock, dessen Unterseite ungefähr rechteckig ist, mit einer Abmessung von z. B. 6 mm x 4 mm, und dessen Oberseite genau in ein Zylinderprofil mit einem Radius geschliffen oder gegossen ist, der der Höhe des Blocks (typischerweise 5 mm) zuzüglich der Länge des Arms 123, an dem er befestigt ist, entspricht. Dies können z. B. 30 mm sein. Gemäß Fig. 11 trägt der Block an seiner gekrümmten Oberfläche ein Beugungsgitter mit einem Muster von Rippen, die mit einer Schrittweite von typischerweise 0,8333 µm (1/1200 mm) voneinander beabstandet sind. Es ist ein sinusförmiges Profil bevorzugt, um für starke Beugungstrahlen erster Ordnung zu sorgen. Die mit Rippen versehene Oberfläche ist mit einer Reflexionsschicht wie einer solchen aus Aluminium beschichtet, um ein Reflexionsgitter zu schaffen.Referring to Figure 10, the grating 300 in the illustrated embodiment comprises a glass block, the bottom of which is approximately rectangular, measuring, for example, 6 mm x 4 mm, and the top of which is ground or cast to a precise cylindrical profile with a radius equal to the height of the block (typically 5 mm) plus the length of the arm 123 to which it is attached. This may be, for example, 30 mm. Referring to Figure 11, the block carries on its curved surface a diffraction grating having a pattern of ridges spaced apart at a pitch of typically 0.8333 µm (1/1200 mm). A sinusoidal profile is preferred to provide strong first order diffracted beams. The ridged surface is coated with a reflective layer, such as aluminum, to provide a reflective grating.

Gemäß Fig. 12 besteht eine Art zum Erzeugen eines derartigen Gitters darin, die gekrümmte Fläche des Glasausgangsteils mit einer Schicht aus einer lichthärtenden Verbindung zu beschichten und darauf ein Paar zueinander geneigter Laserstrahlen mit einer Wellenlänge in der Größenordnung des erforderlichen Gitters zu richten. Diese Hologrammtechnik erzeugt ein wohldefiniertes Interferenzmuster mit sinusförmiger Intensitätsverteilung, und dieses erzeugt ein entsprechendes Belichtungsstreifenmuster in der photoempfindlichen Schicht. Wenn der Belichtungsvorgang abgeschlossen ist, wird die Oberfläche geätzt oder gewaschen, um entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche der photoempfindlichen Schicht zu entfernen, wobei das Rippenmuster zurückbleibt. Die gemusterte Oberfläche, mit den Rippen, kann dann durch irgendeinen geeigneten Prozess mit Aluminium beschichtet werden. Alternativ könnte das Rippenmuster als Maske verwendet werden, durch die ein selektiver Ätzvorgang ausgeführt wird.As shown in Figure 12, one way of creating such a grating is to coat the curved surface of the glass starting part with a layer of a photocurable compound and to direct thereon a pair of inclined laser beams having a wavelength of the order of the required grating. This hologram technique produces a well-defined interference pattern with a sinusoidal intensity distribution, and this produces a corresponding exposure fringe pattern in the photosensitive layer. When the exposure process is complete, the surface is etched or washed to remove either the exposed or unexposed areas of the photosensitive layer, leaving the rib pattern. The patterned surface, with the ribs, can then be coated with aluminum by any suitable process. Alternatively, the rib pattern could be used as a mask through which a selective etching process is carried out.

Gemäß Fig. 13 ist dann, wenn diese Technik verwendet wird, die Schrittweite des gekrümmten Gitters nur am Scheitel des Substrats absolut korrekt und nimmt zu den Kanten der Komponente leicht zu; beim angegebenen Beispiel beträgt, wenn die Schrittweite im Zentrum 0,8333 um beträgt, die Schrittweite an den Kanten 0,8372 um (ungefähr 0,5 % höher). Da die Strahlweite in der Größenordnung von 2 mm liegt, entsprechen die Variationen des Gitterabstands, die zu einer Anhebung jedes Beugungsstrahls führen, einem Bruchteil von 1 %, was aber doch das Funktionsvermögen des Gitters etwas beeinträchtigt.According to Fig. 13, when this technique is used, the pitch of the curved grating is only absolutely correct at the apex of the substrate and increases slightly towards the edges of the component; in the example given If the pitch at the center is 0.8333 µm, the pitch at the edges is 0.8372 µm (approximately 0.5% higher). Since the beam width is on the order of 2 mm, the variations in the grating pitch that lead to an increase in each diffracted beam are a fraction of 1%, but still affect the performance of the grating somewhat.

Der Anstieg der Gitterschrittweite zu den Kanten des Gitters hin verschiebt auch den Beugungswinkel leicht. Da jedoch der Winkel für beide Beugungsstrahlen verschoben wird, verfügen sie weiterhin über gleiche Pfadlänge und fallen innerhalb des Prismas zusammen, weswegen dieser Effekt unbedeutend ist, vorausgesetzt, dass die optischen Komponenten und die Detektoren alle endliche Erstreckung aufweisen. Schließlich macht die Zunahme der Schrittweite des Gitters zu seinen Kanten hin die Beziehung zwischen der Anzahl der durch die Detektoren erfassten Streifen und den Winkeln, um die sich das Gitter dreht, zu den Kanten hin leicht nichtlinear. Jedoch ist die Beziehung zwischen der Vertikalbewegung der Sonde und der Drehung des Gitters im entgegengesetzten Sinn nichtlinear, so dass dieser Effekt etwas gelindert wird.Increasing the grating pitch toward the edges of the grating also slightly shifts the diffraction angle. However, since the angle is shifted for both diffracted beams, they still have equal path length and coincide within the prism, so this effect is insignificant, provided that the optical components and detectors are all of finite length. Finally, increasing the grating pitch toward its edges makes the relationship between the number of fringes detected by the detectors and the angles through which the grating rotates slightly nonlinear toward the edges. However, the relationship between the vertical motion of the probe and the rotation of the grating is nonlinear in the opposite sense, so this effect is somewhat mitigated.

Jede verbleibende Nichtlinearität kann gut gemessen werden und für vorgegebene Messgeräteabmessungen gekennzeichnet oder durch Ausführen eines Kalibriervorgangs für die Messeinrichtung hergeleitet werden. Es ist einfach, eine Korrekturschaltung zum Korrigieren der vom Interferometer hergeleiteten Ausgangssignale bereitzustellen, wie unten detaillierter erläutert, oder es kann eine Korrektur durch einen Computer oder eine andere Vorrichtung 160 ausgeführt werden, mit der die Messeinrichtung verbunden ist.Any remaining non-linearity can be well measured and characterized for given gauge dimensions or derived by performing a calibration procedure for the gauge. It is simple to provide correction circuitry to correct the output signals derived from the interferometer, as explained in more detail below, or correction can be performed by a computer or other device 160 to which the gauge is connected.

Dennoch ist anzunehmen, dass das Funktionsvermögen der Vorrichtung dann verbessert ist, wenn ein gekrümmtes Gitter 300 bereitgestellt wird, bei dem die Schrittweitenvariation unter dieses Niveau verringert ist (und vorzugsweise beseitigt ist).Nevertheless, it is believed that the performance of the device is improved if a curved grating 300 is provided in which the step size variation is reduced below this level (and preferably eliminated).

Prisma 317Prism 317

Unter Bezugnahme auf Fig. 14 wird nun der Aufbau des Prismas 317 detaillierter erörtert.Referring to Fig. 14, the structure of the prism 317 will now be discussed in more detail.

Das Prisma ist um die dichroitische Schicht 335 symmetrisch und umfasst ein Paar schräge Seiten 320a, 320b sowie die Grund- und die Oberseite 360, 361 normal zur dichroitischen Schicht. In der Tiefe, in das Blatt in Fig. 14 hinein, entspricht das Prisma 317 vorzugsweise dem Gitter 300 oder es ist etwas weiter; das heißt, es ist mindestens 4 mm tief. Ein Paar Austrittsebenen 370a, 370b ist so vorhanden, dass sie mit einem Winkel zur Mittelebene 335 so angeordnet sind, dass sie normal zu einem Strahl verlaufen, der intern über einen Punkt in der Mittelebene 335 an der gegenüberstehenden der Flächen 320a oder 320b total reflektiert wird.The prism is symmetrical around the dichroic layer 335 and comprises a A pair of inclined sides 320a, 320b and the base and top surfaces 360, 361 normal to the dichroic layer. In depth, into the sheet in Fig. 14, the prism 317 preferably corresponds to the grating 300 or is somewhat wider; that is, it is at least 4 mm deep. A pair of exit planes 370a, 370b are provided so that they are arranged at an angle to the central plane 335 so that they are normal to a ray which is totally internally reflected about a point in the central plane 335 at the opposite one of the surfaces 320a or 320b.

Herkömmlicherweise wird das Prisma in Form zweier Komponenten über bzw. unter der Mittelebene 335 in Fig. 14 hergestellt und der Mittelebene 335 zusammengesetzt.Conventionally, the prism is manufactured in the form of two components above and below the center plane 335 in Fig. 14 and assembled at the center plane 335.

Das Material des Prismas ist wegen der Dimensionsstabilität und der Einfachheit der Herstellung vorzugsweise Glas, z. B. mit einem Brechungsindex von 1,51. In diesem Fall können die Abmessungen des in Fig. 14 dargestellten Prismas die folgenden sein, um mit einem Gitter der Periode d = 0,8333 um so zusammenzuwirken, dass sich &lambda; = 660 nm - 680 nm der Beugungswinkel &Theta;d = m&lambda;/d, mit m = +/-1 ergibt: The material of the prism is preferably glass, for example with a refractive index of 1.51, for dimensional stability and ease of manufacture. In this case, the dimensions of the prism shown in Fig. 14 can be as follows in order to interact with a grating of period d = 0.8333 um so that λ = 660 nm - 680 nm the diffraction angle Θd = mλ/d, with m = +/-1:

Die mehrschichtige, dichroitische Beschichtung auf der Ebene 335 wird auf bekannte Weise berechnet und abgeschieden, um eine Fläche zu schaffen, an der der auf sie treffende Strahl in eine reflektierte und eine transmittierte Komponente mit verschiedenen Polarisationen mit im wesentlichen denselben Amplituden aufgeteilt wird.The multilayer dichroic coating on level 335 is calculated and deposited in a known manner to provide a surface where the beam incident thereon is split into a reflected and a transmitted component having different polarizations with substantially the same amplitudes.

Die Seiten 320a, 320b sind unter gleichen Winkeln nach innen geneigt, so dass der Einfallswinkel der Beugungsstrahlen nach der Reflexion an den Seiten 320a, 320b auf die strahlteilende Mittelebene 335 nahe an 45º liegt.The sides 320a, 320b are inclined inward at equal angles so that the angle of incidence of the diffracted rays after reflection on the sides 320a, 320b onto the beam splitting center plane 335 is close to 45º.

Bei dieser ist die Beschichtung innerhalb der strahlteilenden Schicht 335 relativ einfach.In this case, the coating within the beam splitting layer 335 is relatively simple.

Durch sorgfältige Auswahl des Brechungsindex des Materials des Prismas 317 und des Abstands zwischen dem Prisma 317 und der Gitterfläche 301 sowie der Winkel der Beugungsstrahlen (die ihrerseits durch die Wellenlänge der Quelle für das Einfallslicht und die Schrittweite des Beugungsgitters 300 bestimmt sind), wäre es auch möglich, ein Prisma 317 mit parallelen Seiten 320a, 320b und einem Einfallswinkel von 450 in der Mittelschicht 335 zu bilden.By carefully selecting the refractive index of the material of the prism 317 and the distance between the prism 317 and the grating surface 301 as well as the angles of the diffracted rays (which in turn are determined by the wavelength of the source of the incident light and the pitch of the diffraction grating 300), it would also be possible to form a prism 317 with parallel sides 320a, 320b and an angle of incidence of 45° in the middle layer 335.

Eine geeignete Beschichtung in der Mittelschicht 335, für einen Einfallswinkel von 45º, wird so ausgewählt, dass sie einen Strahl mit der Polarisation P durchlässt und einen Strahl mit der Polarisation S mit ungefähr gleicher Stärke reflektiert und sehr niedrige Transmission in der Ebene S und Reflexion in der Ebene P aufweist. Dies wird dadurch erzielt, dass abwechselnd verschachtelte Schichten mit zwei verschiedenen Brechungsindizes angeordnet werden; z. b. acht Schichten aus MgO mit einer Dicke von 216 nm, die mit sieben Schichten aus MgF&sub2; mit einer Dicke von 264 nm verschachtelt sind. Die Schichten werden z. B. durch chemische Dampfniederschlagung oder irgendeinen anderen passenden Prozess abgeschieden, um eine relativ homogene transparente Schicht zu schaffen. Innerhalb der Strahlteilerprismen 340a, 340b kann eine Beschichtung mit demselben Aufbau verwendet werden.A suitable coating in the middle layer 335, for an angle of incidence of 45°, is selected to transmit a beam of polarization P and reflect a beam of polarization S with approximately equal intensity and to have very low transmission in the plane S and reflection in the plane P. This is achieved by arranging alternately interleaved layers with two different refractive indices; e.g., eight layers of MgO with a thickness of 216 nm interleaved with seven layers of MgF2 with a thickness of 264 nm. The layers are deposited, e.g., by chemical vapor deposition or any other suitable process to provide a relatively homogeneous transparent layer. A coating of the same construction can be used within the beam splitter prisms 340a, 340b.

Mechanische Montage und AusrichtungMechanical assembly and alignment

Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Sondenkörper 114 in Form zweier Körperteile 114a, 114b vorhanden. Ein erster Teil 114a enthält die Laserlichtquelle und das Strahlteilerprisma 317. Ein zweiter Teil 114b enthält das Gitter 300 und eine Drehhalterung 121 für den Haltearm 123. Das Prisma 317 ist fest innerhalb des ersten Körperteils 114a angebracht, und der Laser und die Linsenanordnung 311, 312 und die Halbwellenplatte 319 sind darin so angebracht, dass eine beschränkte Bewegung in allen drei Ebenen und axiale Drehung möglich sind.In one embodiment, the probe body 114 is in the form of two body parts 114a, 114b. A first part 114a contains the laser light source and the beam splitter prism 317. A second part 114b contains the grating 300 and a rotation mount 121 for the support arm 123. The prism 317 is fixedly mounted within the first body part 114a, and the laser and lens assembly 311, 312 and half-wave plate 319 are mounted therein so as to allow limited movement in all three planes and axial rotation.

Der erste Schritt besteht darin, den Lichtstrahl vom Laser entlang der optischen Mittelachse des Prismas 317 zu zentrieren. Um dies zu erzielen, wird der erste Körperteil 114a in einer Spanneinrichtung montiert, wie in einem Ausrichtungsteleskop 1000 mit Selbstreflexionsvermögen und einem x/y- ausgerichteten Fadenkreuz. Die Zylinderlinse 318 fehlt anfangs in der Anordnung. Unter Verwendung der Selbstreflexionseinstellung des Teleskops 1000 wird der Körper 114 in der Spanneinrichtung so ausgerichtet, dass die Grundfläche 360 des Prismas 317 normal zur Teleskopachse verläuft. Die Position des Körpers 114a innerhalb der Ebene normal zur Teleskopachse (der x/y-Ebene) wird dann eingestellt, bis das Zentrum der Prismenfläche 360 mit der Teleskopachse ausgerichtet ist.The first step is to center the light beam from the laser along the optical center axis of the prism 317. To achieve this, the first body part 114a is mounted in a jig as shown in an alignment telescope 1000 having self-reflection capability and an x/y aligned reticle. The cylindrical lens 318 is initially absent from the assembly. Using the self-reflection adjustment of the telescope 1000, the body 114 is aligned in the chuck so that the base 360 of the prism 317 is normal to the telescope axis. The position of the body 114a within the plane normal to the telescope axis (the x/y plane) is then adjusted until the center of the prism face 360 is aligned with the telescope axis.

Dann wird das Teleskop auf die Fläche 360 des Prismas fokussiert. Der Laserstrahl 311 wird eingestrahlt, wobei er einen elliptischen Strahlfleck liefert. Der Laser wird gedreht, bis die Ellipse in der y/z-Ebene liegt.Then the telescope is focused on the surface 360 of the prism. The laser beam 311 is irradiated, providing an elliptical beam spot. The laser is rotated until the ellipse lies in the y/z plane.

Dann wird das Teleskop 1000 auf unendlich fokussiert. Die Position des Lasers 312 innerhalb des Körpers 114a wird dann in den Richtungen x und y eingestellt, bis der Lichtfleck vom Laser 312 in der Mitte des Fadenkreuzes des Teleskops 1000 ankommt. Dann wird der Laser 312 innerhalb des Körpers 114a positionsmäßig gesperrt, z. B. durch Anzementieren des Lasers an ihm mittels eines Klebers. Dann wird die Zylinderlinse 318 in den Körper 114a innerhalb des Strahlpfads des Laserstrahls eingeführt und ihre Position in der y-Richtung wird eingestellt, bis durch das Teleskop 1000 eine Brennlinie beobachtet wird. Dann wird die Ausrichtung der Linse 318 eingestellt, bis der Strahl entlang der x-Achse des Fadenkreuzes innerhalb des Teleskops liegt. Nun ist die Zylinderlinse 318 korrekt positioniert, und sie wird anzementiert oder auf andere Weise am Ort fest angebracht.Then the telescope 1000 is focused to infinity. The position of the laser 312 within the body 114a is then adjusted in the x and y directions until the spot of light from the laser 312 arrives at the center of the crosshairs of the telescope 1000. Then the laser 312 is positionally locked within the body 114a, e.g., by cementing the laser to it using an adhesive. Then the cylindrical lens 318 is inserted into the body 114a within the beam path of the laser beam and its position in the y direction is adjusted until a focal line is observed through the telescope 1000. Then the alignment of the lens 318 is adjusted until the beam lies along the x axis of the crosshairs within the telescope. Now the cylindrical lens 318 is correctly positioned and it is cemented or otherwise secured in place.

Nun ist der erste Körperteil 114a korrekt ausgerichtet. Der nächste Schritt besteht darin, die zwei Teile 114a, 114b zusammenzubauen. Die zwei Teile 114a, 114b werden über einen Verbindungsmechanismus miteinander verbunden, der anfangs eine gewisse Bewegung in den Richtungen x und y und eine Drehung um die z-Achse zulässt. Zum Beispiel können die zwei Teile übereinander zugewandte Flansche verfügen, die elastisch aufeinanderdrücken. Der zweite Körperteil 114b wird in einer Spanneinrichtung angebracht und die Position des ersten Teils 114a wird in der Richtung "x" eingestellt, während der Fleck des Laserstrahls beobachtet wird, bis der Strahl zentrisch auf dem Gitter 300 landet.Now the first body part 114a is correctly aligned. The next step is to assemble the two parts 114a, 114b. The two parts 114a, 114b are connected together by a connecting mechanism that initially allows some movement in the x and y directions and rotation about the z axis. For example, the two parts may have facing flanges that elastically press against each other. The second body part 114b is mounted in a jig and the position of the first part 114a is adjusted in the "x" direction while observing the spot of the laser beam until the beam lands centrally on the grating 300.

Es wird einer der Strahlteileranalysatoren 340a entfernt und die zwei Strahlen, wie sie an der dichroitischen Schicht 335 reflektiert bzw. durch diese transmittiert werden, werden betrachtet, und zwar entweder visuell unter Verwendung eines Stück Kartons oder unter Verwendung eines optischen Leistungsmessgeräts. Die Halbwellenpiatte 319 wird gedreht, bis die Intensitäten der zwei Strahlen gleich sind.One of the beam splitter analyzers 340a is removed and the two beams as they are reflected by the dichroic layer 335 or these are observed, either visually using a piece of cardboard or using an optical power meter. The half-wave plate 319 is rotated until the intensities of the two beams are equal.

Dann wird der Körperteil 114b in der "y"-Richtung verschoben, bis beobachtet wird, dass die zwei Strahlen in der y-Richtung ausgerichtet sind. An diesem Punkt fällt der Laserstrahl normal auf die Oberfläche des Gitters 300 auf.Then, the body portion 114b is translated in the "y" direction until the two beams are observed to be aligned in the y direction. At this point, the laser beam is incident normally on the surface of the grating 300.

Dann wird der Körperteil 114b um die "z"-Achse gedreht, um die Gitterlinien mit dem Strahlteilerprisma auszurichten. Der Körperteil wird verdreht, bis erkannt wird, dass die zwei auf dem Kartonstück abgebildeten Strahlen einander überlappen. Die zwei Strahlen sollten nun interferieren und es sollten helle und dunkle Streifen zu beobachten sein, wenn die Abnehmernadel oder die Sonde 130 ausgelenkt wird. Wenn keine klaren Streifen beobachtet werden, werden die obigen Schritte der Ausrichtung in der y-Richtung der der Drehung um die z-Achse wiederholt.Then the body portion 114b is rotated about the "z" axis to align the grating lines with the beam splitter prism. The body portion is rotated until the two beams imaged on the piece of cardboard are seen to overlap. The two beams should now interfere and bright and dark stripes should be observed when the pickup needle or probe 130 is deflected. If no clear stripes are observed, the above steps of aligning in the y direction and rotating about the z axis are repeated.

Wenn klare Streifen erkennbar sind, wird das Analysatorstrahlteilerprisma 340a erneut am Ort zementiert und die Ausgangssignale des Paars Detektoren 342a, 342b werden an ein Oszilloskop gegeben. Dann wird die Sonde 130 ausgelenkt und die erzeugten Streifen werden auf dem Oszilloskop beobachtet; falls erforderlich, wird die Halbwellenplatte 319 eingestellt, um die Streifenamplitude zu verbessern und dann wird sie am Ort fest zementiert. Die Phasen der zwei Detektorausgangssignale werden beobachtet und die Viertelwellenplatte 350 wird gedreht, bis eine korrekte Phasendifferenz von 90º erzielt ist; dann wird die Viertelwellenlängenplatte 350 am Ort anzementlert.When clear fringes are seen, the analyzer beam splitter prism 340a is re-cemented in place and the outputs of the pair of detectors 342a, 342b are fed to an oscilloscope. Then the probe 130 is deflected and the fringes produced are observed on the oscilloscope; if necessary, the half-wave plate 319 is adjusted to improve the fringe amplitude and then it is cemented in place. The phases of the two detector outputs are observed and the quarter-wave plate 350 is rotated until a correct phase difference of 90º is achieved; then the quarter-wave plate 350 is cemented in place.

Dann werden die zwei Körperteile 114a, 114b fest miteinander verbunden, typischerweise mittels eines Klebezements, und nun ist die Messvorrichtung vollständig ausgerichtet.Then the two body parts 114a, 114b are firmly connected to each other, typically by means of an adhesive cement, and now the measuring device is completely aligned.

Sondenvorspannungseinheit 400Probe bias unit 400

Gemäß Fig. 17 wird bei diesem Ausführungsbeispiel die auf die Sonde 130 ausgeübte Vorspannungs- oder Andrückkraft durch eine Stelleinrichtung statt durch Schwerkraft, wie beim Stand der Technik, geliefert. Die Stelleinrichtung 400 umfasst ein elektrisches Stellglied mit einer Linearspule 410, die ein Polstück oder einen Anker 420 mit einem Stab umgibt, der innerhalb der Drehachse 121 fest mit dem Haltearm 123 verbunden ist.According to Fig. 17, in this embodiment, the preload or pressing force exerted on the probe 130 is provided by an actuator instead of by gravity as in the prior art. The actuator 400 comprises an electrical actuator having a linear coil 410 surrounding a pole piece or armature 420 with a rod fixedly connected to the support arm 123 within the rotation axis 121.

Die Spule 410 kann aktiviert werden, um über das Polstück 420 eine konstante Vorbelastungskraft auf den Arm 123 und demgemäß die Sonde 130 auszuüben, jedoch kann der Aktivierungsstrom auch so gesteuert werden, dass die angelegte Kraft kontinuierlich variiert wird, falls erforderlich, z. B. auf ein Signal hin, wie es von einer Messeinrichtung für mechanische Spannungen oder einem Beschleunigungsmessgerät auf eine Belastung oder Beschleunigung der Sonde hin hergeleitet wird.The coil 410 can be activated to apply a constant preload force to the arm 123 and hence the probe 130 via the pole piece 420, but the activation current can also be controlled to vary the applied force continuously, if required, e.g. in response to a signal derived from a stress measuring device or an accelerometer in response to a load or acceleration of the probe.

Es kann erwünscht sein, eine Einrichtung zum Verstellen der ausgeübten Kraft von Hand bereitzustellen, damit z. B. eine relativ hohe Kraft auf relativ feste zu messende Oberflächen ausgeübt wird (um für guten Kontakt zu diesen zu sorgen), wobei jedoch eine relativ kleine Kraft ausgeübt wird, wenn elastisch oder plastisch verformbare Oberflächen gemessen werden, um jegliche Verformung oder Beschädigung derselben zu vermeiden.It may be desirable to provide means for manually adjusting the force applied, for example to apply a relatively high force to relatively rigid surfaces to be measured (to ensure good contact with them), but to apply a relatively small force when measuring elastically or plastically deformable surfaces in order to avoid any deformation or damage to them.

Es ist besonders geschickt, die Vorspannungskraft elektrisch zu steuern, jedoch könnten die Spule 410 und das Polstück 420 durch eine mechanische Feder (für Zug oder Druck) oder z. B. ein pneumatisches Stellglied ersetzt werden.It is particularly convenient to control the biasing force electrically, however, the coil 410 and pole piece 420 could be replaced by a mechanical spring (for tension or compression) or, for example, a pneumatic actuator.

Durch Liefern von Strom in entgegengesetzter Richtung zu der, die zum Vorspannen der Sonde verwendet wird, kann die Sonde von der Werkstückoberfläche abgehoben werden, um sie nach einer Durchrasterung zurückzuführen, ohne sie oder die Oberfläche zu beschädigen.By supplying current in the opposite direction to that used to bias the probe, the probe can be lifted from the workpiece surface for return after scanning without damaging it or the surface.

Entsprechend ist es zu beachten, dass dieser Gesichtspunkt der Erfindung hinsichtlich seiner Anwendung nicht auf interferometrische Oberflächemessinstrumente beschränkt ist, sondern in gleicher Weise z. B. bei Messgeräten mit einer Sonde mit induktivem Aufnehmer verwendet werden könnte. Anstatt hinter der Drehachse 121 auf den Haltearm einzuwirken, wäre es möglich, die Vorspannungseinrichtung 400 vor der Drehachse 121 anzuordnen, um dort auf den Haltearm 120 einzuwirken; jedoch verringert dies die effektive Länge des Arms 120, was die Nützlichkeit der Vorrichtung beim Ausmessen umschlossener Flächen wie Rohren oder Öffnungen beschränkt.Accordingly, it should be noted that this aspect of the invention is not limited in its application to interferometric surface measuring instruments, but could equally be used, for example, in measuring devices having an inductive pickup probe. Instead of acting on the support arm behind the rotation axis 121, it would be possible to arrange the biasing device 400 in front of the rotation axis 121 to act on the support arm 120 there; however, this reduces the effective length of the arm 120, which limits the usefulness of the device in measuring enclosed areas such as pipes or openings.

Fig. 18 zeigt eine alternative Anordnung, bei der ein Paar entgegengesetzt wirkender Steliglieder 400a, 400b, die bei diesem Ausführungsbeispiel in entgegengesetzten Richtungen aktivierte Spulen 410a, 410b und entsprechende Polstücke 420a, 420b enthalten, an entgegengesetzten Seiten des Haltearms 123 angeschlossen sind. Wenn die Aktivierung der Spulen 410a, 410b so gesteuert wird, dass die durch die zwei Stellglieder 400a, 400b ausgeübten Kräfte im Gleichgewicht sind (oder wenn, vorzugsweise, die durch die Stellglieder 400a, 400b nach oben und unten ausgeübten Kräfte und die Schwerkraft im Gleichgewicht sind), wird die Sonde 130 so belastet, dass sie eine zentrale Ruhestellung oder Nullposition einnimmt. Dieses Ausführungsbeispiel findet Anwendung bei Vorrichtungen zum Messen von Oberflächen, die entweder über oder unter der Vorrichtung oder rechtwinklig hierzu positionier werden können.Fig. 18 shows an alternative arrangement in which a pair of opposing actuators 400a, 400b, which in this embodiment include coils 410a, 410b activated in opposite directions and corresponding pole pieces 420a, 420b, are connected to opposite sides of the support arm 123. When the activation of the coils 410a, 410b is controlled so that the forces exerted by the two actuators 400a, 400b are in balance (or when, preferably, the forces exerted up and down by the actuators 400a, 400b and gravity are in balance), the probe 130 is loaded to assume a central rest or zero position. This embodiment is applicable to devices for measuring surfaces that can be positioned either above or below the device or at right angles to it.

Gemäß Fig. 19 ist das Stellglied bei einem weiteren Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass es für eine aktive Dämpfung der Bewegung des Abnehmernadelarms sorgt; unter anderen Vorteilen verringert dies die Ernsthaftigkeit von Vibrationen auf Grund externer Einflüsse wie zufälliger Schläge auf die Vorrichtung. Die Spule 410 wird daher mit einem Strom versorgt, der eine Komponente enthält, die proportional zur Änderungsrate der Sondenauslenkung ist, und mit solcher Polarität, dass die dadurch mittels der Spule 410 ausgeübte Kraft der Kursorauslenkung entgegenwirkt.Referring to Figure 19, in another embodiment, the actuator is designed to provide active damping of the movement of the pickup needle arm; among other advantages, this reduces the severity of vibrations due to external influences such as accidental impacts on the device. The coil 410 is therefore supplied with a current containing a component proportional to the rate of change of the probe deflection and of such polarity that the force exerted thereby by the coil 410 opposes the cursor deflection.

Zum Beispiel kann der Strom durch eine erste Stromquelle 430 geliefert werden, die einen Konstantstrom Im liefert, und durch eine zweite Stromquelle 440, die einen solchen Strom liefert, der, wie oben erörtert, proportional zur Änderungsrate des Sondenauslenkungssignals ist.For example, the current may be provided by a first current source 430 providing a constant current Im and a second current source 440 providing such a current that is proportional to the rate of change of the probe deflection signal, as discussed above.

Zum Beispiel kann das digitale Ausgangssignal, das die Sondenauslenkung Z repräsentiert, aus dem Ausgangssignal einer Verarbeitungsschaltung hergeleitet werden, wie dies unten detaillierter erörtert wird, und das durch einen Digital-Analog-Wandler 450 in ein entsprechendes analoges Signal gewandelt wird und dann durch einen Analogdifferenzierer 460 differenziert wird, der z. B. einen Operationsverstärker mit einem Kondensator an seinem (invertierenden) Eingang und einem Widerstand im Rückkopplungspfad zum invertierenden Eingang enthält.For example, the digital output signal representing the probe deflection Z may be derived from the output signal of a processing circuit, as discussed in more detail below, and which is converted into a corresponding analog signal by a digital-to-analog converter 450 and then differentiated by an analog differentiator 460, which may include, for example, an operational amplifier with a capacitor at its (inverting) input and a resistor in the feedback path to the inverting input.

Das Signal vom Differenzierer 460 wird dann durch einen Stromfolger mit einer Stromquelle 440 in ein Stromsignal umgesetzt, und sein Ausgangssignal wird zum Konstantstrom von der Quelle 430 addiert und der Spule 410 zugeführt.The signal from the differentiator 460 is then converted into a current signal by a current follower with a current source 440, and its output signal is added to the constant current from source 430 and supplied to coil 410.

Es ist jedoch zu beachten, dass anstelle des Analogdifferenzierers ein Digitaldifferenzierer verwendet werden könnte, in welchem Fall der Digital- Analog-Wandler 450 darauffolgend angebracht wäre. Andere Arten des Bereitstellens eines Signals zum Steuern des Stellglieds 410 zum Dämpfen der Bewegung der Abnehmernadel sind in gleicher Weise ersichtlich.It should be noted, however, that a digital differentiator could be used instead of the analog differentiator, in which case the digital-to-analog converter 450 would be subsequently mounted. Other ways of providing a signal to control the actuator 410 to dampen the movement of the pickup needle are equally apparent.

Vorzugsweise ist eine Steuerung zum Ändern der durch die Stellglieder ausgeübten Kraft vorhanden; vorzugsweise kann bei diesem Ausführungsbeispiel nicht nur die Stärke der durch die Stellglieder ausgeübten Kraft sondern auch das Gleichgewicht zwischen den durch jedes derselben ausgeübten Kräfte so variiert werden, dass die Vorrichtung entweder nach unten gedrückt werden kann, um eine Oberfläche unter der Sonde 130 zu messen, oder nach oben, um eine Fläche über der Sonde 130 zu messen. Auch dieses Ausführungsbeispiel ist hinsichtlich seiner Anwendung nicht auf interferometrische Messvorrichtungen beschränkt.Preferably, a control is provided for varying the force exerted by the actuators; preferably, in this embodiment, not only the magnitude of the force exerted by the actuators but also the balance between the forces exerted by each of them can be varied so that the device can be pushed either downwards to measure a surface below the probe 130 or upwards to measure an area above the probe 130. Again, this embodiment is not limited in its application to interferometric measuring devices.

Alternative optische AnordnungenAlternative optical arrangements

Aus der vorstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ist es deutlich, dass am optischen System mit mehr oder weniger gleicher Wirkung eine Anzahl von Variationen und Ersetzungen vorgenommen werden kann. Einige beispielhafte derartige Modifizierungen und alternative Konstruktionen werden nun unter Bezugnahme auf die folgenden Fig. 20 bis 24 veranschaulicht, in denen Teile, die oben beschriebenen Teilen entsprechen, entsprechend numeriert sind. In den Fig. 20, 22, 23 und 24 verfügt das Prisma zu veranschaulichenden Zwecken über parallele Seiten; dies erfordert eine kompliziertere Beschichtung 335, wenn der Einfallswinkel darauf nicht 450 beträgt, jedoch sind die parallelen Seiten einfacher herzustellen.From the foregoing description of an embodiment, it will be clear that a number of variations and substitutions can be made to the optical system with more or less equal effect. Some exemplary such modifications and alternative constructions will now be illustrated with reference to the following Figures 20 to 24, in which parts corresponding to parts described above are numbered accordingly. In Figures 20, 22, 23 and 24, the prism has parallel sides for illustrative purposes; this requires a more complicated coating 335 if the angle of incidence thereon is not 45°, but the parallel sides are easier to manufacture.

Gemäß Fig. 20 kann die optische Anordnung der Fig. 6 und 7 dadurch variiert werden, dass das unter Bezugnahme auf Fig. 11 beschriebene reflektierende Beugungsgitter 300 durch ein transparentes oder teiltransparentes Gitter ersetzt wird. Die Lichtquelle 310 erzeugt einen Strahl, der durch den Körper 300 der Gitterkomponente auf die Innenfläche des Gitters 301 gelenkt wird, das als Transmissionsgitter wirkt und gebeugte Strahlen erster Ordnung entlang denselben Pfaden wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben in das Strahlteilerprisma 317 durchlässt. Der Aufbau des Strahlteilerprismas 317 ist demgemäß im Vergleich zu denen, die in den Fig. 21 und 23 dargestellt sind, dahingehend leicht vereinfacht, dass keine Aussparung oder kein Strahlverschiebungsprisma 316 erforderlich ist.Referring to Fig. 20, the optical arrangement of Figs. 6 and 7 can be varied by replacing the reflective diffraction grating 300 described with reference to Fig. 11 with a transparent or semi-transparent grating. The light source 310 generates a beam which is directed through the body 300 of the grating component onto the inner surface of the grating 301, which acts as a transmission grating and directs first order diffracted rays along the same paths as described above with reference to Fig. 7. described into the beam splitter prism 317. The structure of the beam splitter prism 317 is accordingly slightly simplified compared to those shown in Figs. 21 and 23 in that no recess or beam shifting prism 316 is required.

Es ist ein Spiegel 500 vorhanden, um den Strahl von der Lichtquelle 310 in das Beugungsgitter zu lenken. Da die gekrümmte Beugungsgitterkomponente 300 nun als Linse wirkt, die versucht, den auf sie treffenden Strahl zu konvergieren, ist die Bündelungslinse 318 von Fig. 7 durch eine aufweitende Linse 518 ersetzt, um dies zu kompensieren und kollimierte Beugungstrahlen zu erzeugen. Alternativ kann, da viele Laserdioden divergierende Strahlen erzeugen, die Laserdiode 311 so ausgewählt werden, dass ihre Divergenz die Konvergenz der Beugungsgitterkomponente 300 kompensiert, oder die Rückseite des Gitters 300 kann selbst zu diesem Zweck gekrümmt sein.A mirror 500 is provided to direct the beam from the light source 310 into the diffraction grating. Since the curved diffraction grating component 300 now acts as a lens attempting to converge the beam striking it, the collimating lens 318 of Figure 7 is replaced by an expanding lens 518 to compensate for this and produce collimated diffracted beams. Alternatively, since many laser diodes produce diverging beams, the laser diode 311 can be selected so that its divergence compensates for the convergence of the diffraction grating component 300, or the back of the grating 300 can itself be curved for this purpose.

Gemäß Fig. 21 entspricht bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel die Anordnung im wesentlichen der der Fig. 6, 7 und 14, mit der Ausnahme des Scheitels des Prismas, des Vorhandenseins von Walzen 316 und des Orts der Linse 318.According to Fig. 21, in a particularly preferred embodiment, the arrangement corresponds essentially to that of Figs. 6, 7 and 14, with the exception of the vertex of the prism, the presence of rollers 316 and the location of the lens 318.

Gemäß Fig. 22 können die Lichtquelle 310 und das Prisma usw. 317 in der Anordnung von Fig. 20 umgestellt sein; erneut ist eine divergierende Linse 518 oder eine divergierende Lichtquelle 310 dazu verwendet, die Konvergenz auf Grund der Gitterkrümmung zu kompensieren.According to Fig. 22, the light source 310 and the prism etc. 317 may be rearranged in the arrangement of Fig. 20; again, a diverging lens 518 or a diverging light source 310 is used to compensate for the convergence due to the grating curvature.

Gemäß Fig. 23 kann die Zylinderlinse 318 im Lichtpfad zwischen der Lichtquelle 310 und dem Beugungsgitter 300 durch ein Paar Zylinderlinsen 318a, 318b im Pfad der Beugungsstrahlen ersetzt sein, mit im wesentlichen derselben Wirkung.According to Fig. 23, the cylindrical lens 318 in the light path between the light source 310 and the diffraction grating 300 can be replaced by a pair of cylindrical lenses 318a, 318b in the path of the diffracted rays, with essentially the same effect.

Gemäß Fig. 24 kann die Anordnung zum Lenken des Einfallslichts von der Lichtquelle 310 auf das Gitter 300 dadurch vereinfacht sein, dass das Strahlverschiebeprisma 316 weggelassen ist und der Scheitel der Pyramide 314 durch eine ebene Fläche normal zum Lichtstrahl von der Lichtquelle 310 ersetzt ist, die genau entlang der Mitte der Mittelebene 335 des Prismas 317 ausgerichtet ist. Dies vereinfacht die Anordnung, erfordert jedoch eine genaue Ausrichtung des Einfallsstrahls von der Lichtquelle 317 zur Mittelebene 335, damit die Strahlteilereigenschaften der Mittelebene 335 den Einfallsstrahl nicht beeinflussen.Referring to Figure 24, the arrangement for directing the incident light from the light source 310 onto the grating 300 can be simplified by omitting the beam shifting prism 316 and replacing the apex of the pyramid 314 with a flat surface normal to the light beam from the light source 310 that is aligned exactly along the center of the center plane 335 of the prism 317. This simplifies the arrangement but requires precise alignment of the incident beam from the light source 317 to the center plane 335 so that the beam splitter properties of the center plane 335 do not affect the incident beam.

Zusätzlich zu allen obigen Anordnungen ist es auch möglich, das gekrümmte Beugungsgitter an der Aussenseite der Drehachse 321 anzubringen, (d.h. am Halteelement 120). Diese Anordnung würde jedoch die wirksame Länge des Haltearms 120 und damit die Anwendbarkeit der Sonde auf einige Komponententypen (wie Rohre) verringern, wo ein langer Haltearm 120 erforderlich ist. Es sind auch viele andere Variationen ersichtlich.In addition to all of the above arrangements, it is also possible to mount the curved diffraction grating on the outside of the rotation axis 321 (i.e., on the support member 120). However, this arrangement would reduce the effective length of the support arm 120 and thus the applicability of the probe to some types of components (such as pipes) where a long support arm 120 is required. Many other variations are also apparent.

SIGNALVERARBEITUNGSIGNAL PROCESSING

Es wäre möglich, analoge Ausgangsports 150 bereitzustellen, die die analogen Signale von jedem der Detektoren 341a, 341b, 3421, 342b führen, oder sogar optische Ausgangsports 150 bereitzustellen, zu denen die Strahlen, wie sie an der Position empfangen werden, an der die Detektoren liegen, mittels optischer Faserkabel geführt werden. Alternativ ermöglicht es der kompakte Aufbau, wie er durch die relativ kleine Größe des Lasers und des Interferometers beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ermöglicht ist, das Ausführen von einigem an elektrischer Signalverarbeitung innerhalb derselben Einheit, was die Möglichkeit elektrischer oder hochfrequenter Störungen verringert und die Vielseitigkeit der Vorrichtung verbessert. Da die von der oben beschriebenen Vorrichtung erzeugten Ausgangssignale ihrer Art denjenigen ähnlich sind, wie sie durch eine herkömmliche Michelsoninterferometer-Messvorrichtung erzeugt werden, kann die bei diesem Vorrichtungstyp verwendete Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung in gleicher Weise bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen verwendet werden. Ähnlich könnten die nachfolgend beschriebenen bevorzugten Signalverarbeitungsvorrichtungen bei herkömmlichen Interferometern vom Michelsontyp verwendet werden.It would be possible to provide analog output ports 150 carrying the analog signals from each of the detectors 341a, 341b, 3421, 342b, or even to provide optical output ports 150 to which the beams as received at the position where the detectors are located are carried out by means of optical fiber cables. Alternatively, the compact construction, as made possible by the relatively small size of the laser and interferometer in the embodiment described above, enables some of the electrical signal processing to be carried out within the same unit, reducing the possibility of electrical or radio frequency interference and improving the versatility of the device. Since the output signals produced by the device described above are similar in nature to those produced by a conventional Michelson interferometer measuring device, the signal processing circuitry used in this type of device can be used in the same way in the preferred embodiments described above. Similarly, the preferred signal processing devices described below could be used in conventional Michelson type interferometers.

Gemäß Fig. 25 werden jedoch bei einem speziellen Aufbau dieses Ausführungsbeispiels die Ausgangssignale der Detektoren 341a, 341b, 342a, 342b mittels eines Paars Differenzverstärkerschaltungen subtrahiert, um Sinus- und Kosinussignale zu erzeugen, und diese zwei Signale werden an die Ausgangsports 150 der Vorschubeinheit 110 geliefert. Dann ist ein großer Teil der Signalprozessoreinheit 155 geschickterweise mit einem Computerterminal 160 zusammengefasst.However, as shown in Fig. 25, in a specific structure of this embodiment, the output signals of the detectors 341a, 341b, 342a, 342b are subtracted by a pair of differential amplifier circuits to produce sine and cosine signals, and these two signals are supplied to the output ports 150 of the feed unit 110. Then, a large part of the signal processing unit 155 is conveniently integrated with a computer terminal 160.

Gemäß Fig. 26 umfasst bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erscheinungsform der Erfindung die Signalverarbeitungsschaltung 155 eine Streifenzählerschaltung 600, die so ausgebildet ist, dass sie einen Zählwert aufrechterhält, der die Gesamtanzahl von Peaks oder Tälern der Amplitude repräsentiert, wie am Ausgang einer interferometrischen Messvorrichtung wie der zuvor beschriebenen erfasst, und einen Interpolator 700, der so ausgebildet ist, dass er ein Ausgangssignal erzeugt, das die Phasenposition zwischen derartigen Peaks oder Tälern im Ausgangssignal repräsentiert. Daten niedriger Auflösung vom Zähler 600 und Daten hoher Auflösung vom Interpolator 700 werden kombiniert und einer Linearitätskorrekturschaltung 800 und einer Skalierschaltung 810 zugeführt und dann entweder zur Datenverarbeitung oder an eine Speichereinrichtung oder an eine Anzeige 820, wie dargestellt, ausgegeben. Geschickterweise werden die Korrekturschaltung 800 und die Skalierschaltung 810 beide vom Computer 160 gebildet, der gemäß einem abgespeicherten Steuerprogramm arbeitet.According to Fig. 26, in a preferred embodiment of this aspect of the invention, the signal processing circuit 155 comprises a strip counter circuit 600 arranged to maintain a count representing the total number of peaks or valleys of amplitude as detected at the output of an interferometric measuring device such as that previously described, and an interpolator 700 arranged to produce an output signal representing the phase position between such peaks or valleys in the output signal. Low resolution data from counter 600 and high resolution data from interpolator 700 are combined and fed to a linearity correction circuit 800 and a scaling circuit 810 and then output either for data processing or to a storage device or to a display 820 as shown. Conveniently, correction circuit 800 and scaling circuit 810 are both provided by computer 160 operating in accordance with a stored control program.

In Fig. 27 ist die Zählerschaltung 600 detaillierter dargestellt. Diese Zählerschaltung 600 umfasst einen Digitalzähler 610 mit zwischengespeichertem Ausgangssignal, wie z. B. einen 16-Bit-Zähler, und eine Entscheidungsschaltung 620, die den Zähler 610 so steuert, dass er entweder nach oben oder nach unten zählt. Dies ist erforderlich, da die Auslenkung der Sonde, wie unten erläutert, aus der Anzahl gezählter Streifen hergeleitet wird, jedoch die auf die Bewegung in einer Richtung gezählten Streifen von denjenigen abgezogen werden müssen, die auf eine Bewegung in der entgegengesetzten Richtung hin gezählt werden, um einen Messwert für die Auslenkung herzuleiten.Figure 27 shows the counter circuit 600 in more detail. This counter circuit 600 includes a digital counter 610 with a latched output, such as a 16-bit counter, and a decision circuit 620 that controls the counter 610 to count either up or down. This is necessary because the deflection of the probe, as explained below, is derived from the number of fringes counted, but the fringes counted for movement in one direction must be subtracted from those counted for movement in the opposite direction to derive a deflection reading.

Dies ist speziell dann erforderlich, wenn, wie oben beschrieben, der Streifenzählwert eine nichtlineare Funktion der Position ist.This is especially necessary when, as described above, the strip count is a non-linear function of position.

Daher gibt die Entscheidungsschaltung 620 ein Steuersignal an den Zähler 610 aus, das anzeigt, ob der zwischengespeicherte Zählwert auf den nächsten gezählten Streifen hin inkrementiert oder dekrementiert werden sollte. Beim Erfassen eines Streifens wird an den Zähler 610 ein Freigabesignal geliefert, das bewirkt, dass der Zählwert entsprechend inkrementiert oder dekrementiert wird.Therefore, the decision circuit 620 outputs a control signal to the counter 610 indicating whether the latched count value should be incremented or decremented upon the next counted strip. Upon detection of a strip, an enable signal is provided to the counter 610 causing the count value to be incremented or decremented accordingly.

Damit die Entscheidungsschaltung 620 entscheiden kann, ob der Zählwert inkrementiert oder dekrementiert werden soll, empfängt sie zwei gesonderte, hinsichtlich der Phase beabstandete Eingangssignale. Die erforderliche Signalverarbeitung ist dann vereinfacht, wenn die zwei Signale phasenmäßig um 90º beabstandet sind. Gemäß Fig. 9C ist es ersichtlich, dass die Variation der Signalamplitude abhängig von der Sondenposition x im wesentlichen sinusförmig ist, wobei die Beziehung y = sin &Theta; erfüllt ist, wobei &Theta; proportional zum Weg x ist, und für das oben errterte Gitterinterferometer gilt &Theta; = 4 &pi;x/D, wobei D die Gitterperiode ist. Die von der Auf/Ab-Entscheidungsschaltung 620 empfangenen zwei Signale y&sub1; und y&sub2; sind daher, bezogen auf irgendeine beliebige Startphase durch A sin &Theta; und A cos &Theta; gegeben, und sie werden nachfolgend als Sin-&Theta;- bzw. Cos-&Theta;-Signal bezeichnet.In order for the decision circuit 620 to decide whether the count value should be incremented or decremented, it receives two separate input signals that are spaced apart in phase. The required signal processing is simplified if the two signals are are spaced 90° apart. As can be seen from Fig. 9C, the variation of the signal amplitude depending on the probe position x is substantially sinusoidal, satisfying the relationship y = sin Θ, where Θ is proportional to the path x, and for the grating interferometer discussed above, Θ = 4πx/D, where D is the grating period. The two signals y1 and y2 received by the up/down decision circuit 620 are therefore given by A sin Θ and A cos Θ relative to any starting phase, and are referred to hereinafter as the sin Θ and cos Θ signals, respectively.

Gemäß Fig. 28 umfasst die Entscheidungsschaltung 620 bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Paar Eingangsverstärker 621a, 621b, z. B. invertierende Operationsverstärkerschaltungen, mit einer Verstärkung K, die dazu ausreicht, die Eingangssignale auf einen geeigneten Pegel für die folgende Schaltungsanordnung zu skalieren.Referring to Fig. 28, in a preferred embodiment, the decision circuit 620 comprises a pair of input amplifiers 621a, 621b, e.g., inverting operational amplifier circuits, with a gain K sufficient to scale the input signals to an appropriate level for the following circuitry.

Zum Beispiel kann zur Verwendung mit der oben beschriebenen Vorrichtung die Verstärkung -2,4 sein, wodurch die Spitze-Spitze-Ausgangssignale der Verstärker 621a, 621b auf 10 V gebracht werden. Die Verstärker 621a, 621b können auch Bandbreite-Begrenzungsfilter enthalten, die Frequenzen von 0 Hz bis zu einer Maximalgrenze durchlassen (z. B. 5 MHz, aus unten erörterten Gründen).For example, for use with the device described above, the gain may be -2.4, bringing the peak-to-peak outputs of the amplifiers 621a, 621b to 10 V. The amplifiers 621a, 621b may also include bandwidth limiting filters that pass frequencies from 0 Hz up to a maximum limit (e.g., 5 MHz, for reasons discussed below).

Die Ausgangssignale der Verstärker 621a, 621b werden an Komparatoren 622a, 622b geliefert (z. B. invertierende Komparatoren, die so eingestellt sind, dass sie abhängig davon, ob das jeweilige Eingangssignal jeweils unter oder über null liegt, ein logisch hohes oder logisch niedriges Ausgangssignal liefern). Im allgemeinen zeigen derartige Komparatoren ein begrenztes Hystereseausmaß zwischen den Schwellenwerten; wenn die Zählerschaltung auf eine Weise, wie sie unten detaillierter beschrieben wird, mit einer Interpolatorschaltung 700 zusammenarbeiten soll, ist es erforderlich, die Schwellenpegel so zu beschränken, dass sie innerhalb des kleinsten Werts liegen, der durch die Interpolatorschaltung 700 auflösbar ist. Bei einer Interpolatorauflösung von, in Grad, 360/225 beträgt der Schwellenwert (10/2) sin(360/256) = 123 mV, wobei die Spitze-Spitze-Spannung 10 V beträgt.The outputs of amplifiers 621a, 621b are provided to comparators 622a, 622b (e.g., inverting comparators set to provide a logic high or logic low output depending on whether the respective input signal is below or above zero, respectively). In general, such comparators exhibit a limited amount of hysteresis between threshold values; if the counter circuit is to cooperate with an interpolator circuit 700 in a manner described in more detail below, it is necessary to constrain the threshold levels to be within the smallest value resolvable by the interpolator circuit 700. For an interpolator resolution of, in degrees, 360/225, the threshold is (10/2) sin(360/256) = 123 mV, where the peak-to-peak voltage is 10 V.

In Fig. 29 zeigt Fig. 29A ein Kurvenbild der zwei Eingangssignale für die Sonden- oder Interferometerposition, und dies entspricht demgemäß der Fig. 9C. Fig. 29B zeigt entsprechend die Änderungen der Ausgangssignale der Verstärker 61a, 61b, abhängig von der Sondenposition x oder dem Phasenwinkel &Theta;. Entsprechend zeigt Fig. 29C das Ausgangssignal der Komparatoren 622a, 622b entsprechend dem Sondenweg oder der Phase; die Ausgangssignale der Komparatoren zeigen bei dem Nulldurchgangspunkten der Eingangssignale Übergänge.In Fig. 29, Fig. 29A shows a graph of the two input signals for the probe or interferometer position, and this corresponds accordingly to Fig. 9C. Fig. 29B shows correspondingly the changes in the output signals of the Amplifiers 61a, 61b, depending on the probe position x or the phase angle Θ. Accordingly, Fig. 29C shows the output of the comparators 622a, 622b according to the probe travel or phase; the outputs of the comparators show transitions at the zero crossing points of the input signals.

Die Fig. 29A - 29C repräsentieren jedoch nicht den zeitlichen Verlauf der Signale in diesen Schaltungsstufen; jedes Signal kann statisch oder variabel sein, abhängig davon, ob die Sonde steht oder sich bewegt. Wenn sich die Sonde in einer ersten Richtung bewegt, die einem zunehmenden Sondenweg x (z. B. wird die Sonde angehoben) und demgemäß einer zunehmenden Phase bei konstanter Geschwindigkeit der Eingangssignale entspricht, entsprechen die Ausgangssignale der Verstärker 61a und 61b sowie die Ausgangssignale der Komparatoren 622a, 622b den Fig. 29A - 29C. Wenn die Sonde stillsteht, sind alle Signale konstant. Wenn die Sonde die Richtung ändert und zurückläuft (d.h. in negativer x-Richtung), entsprechen die zugehörigen Signale an den Ausgängen der Verstärker und Komparatoren nun einer spiegelbildlich umgekehrten Version zu denen, die in den Fig. 29A - 29C veranschaulicht sind.However, Figs. 29A - 29C do not represent the time course of the signals in these circuit stages; each signal can be static or variable depending on whether the probe is stationary or moving. When the probe is moving in a first direction corresponding to an increasing probe path x (e.g. the probe is raised) and thus an increasing phase at a constant speed of the input signals, the output signals of the amplifiers 61a and 61b and the output signals of the comparators 622a, 622b correspond to Figs. 29A - 29C. When the probe is stationary, all signals are constant. When the probe changes direction and travels back (i.e. in the negative x-direction), the corresponding signals at the outputs of the amplifiers and comparators now correspond to a mirror image of those illustrated in Figs. 29A - 29C.

Die Komparatoren 622a, 622b sind so ausgebildet, dass sie die Nulldurchgangspunkte der Signale vom Interferometer erfassen; dies ist eine vorteilhafte Weise zum Zählen von Streifen, da sie im wesentlichen unanfällig gegen Variationen der Eingangssignalamplitude ist und für einen genau definierten Phasenpunkt im Signal sorgt, bei dem jeder Streifen gezählt wird, was die Genauigkeit des Zählers erhöht. Darüber hinaus existieren besondere Vorteile, wenn dieser Zählertyp mit einer Interpolatorschaltung 700 verwendet wird, da die Schaltung 600 nicht nur Streifen zählt, sondern auch wohldefinierte Phasenbezugspunkte liefert.The comparators 622a, 622b are arranged to detect the zero crossing points of the signals from the interferometer; this is an advantageous way of counting fringes as it is essentially immune to variations in the input signal amplitude and provides a well-defined phase point in the signal at which each fringe is counted, increasing the accuracy of the counter. In addition, there are particular advantages when this type of counter is used with an interpolator circuit 700 as the circuit 600 not only counts fringes but also provides well-defined phase reference points.

Ein erstes Problem besteht darin, die Richtung zu erkennen, in der die Sonde läuft, und demgemäß, ob der Zählwert auf einen Nulldurchgang hin zu inkrementieren oder zu dekrementieren ist. Wenn der Nulldurchgang des Sin- &Theta;-Eingangssignals bei &Theta; = 0º auftritt und die Sonde in positiver x-Richtung läuft (d.h., &Theta;, die Phase, nimmt zu), ist der Wert des Signals unmittelbar nach dem Nulldurchgang positiv. Wenn der Nulldurchgang andererseits ein solcher ist, der bei &Theta; = &pi; auftritt, ist der Wert des Signals unmittelbar nach dem Nulldurchgang negativ. Umgekehrt ist, wenn die Sonde in der Gegenrichtung läuft, die Amplitude des Signals unmittelbar nach dem Nulldurchgang bei &Theta; = 0 negativ, und diejenige unmittelbar nach dem Nulidurchgang &Theta; = &pi; ist positiv.A first problem is to detect the direction in which the probe is traveling and, accordingly, whether to increment or decrement the count towards a zero crossing. If the zero crossing of the Sin Θ input signal occurs at Θ = 0º and the probe is traveling in the positive x direction (i.e., Θ, the phase, is increasing), the value of the signal immediately after the zero crossing is positive. On the other hand, if the zero crossing is one that occurs at Θ = π, the value of the signal immediately after the zero crossing is negative. Conversely, if the probe is traveling in the opposite direction, the amplitude of the signal immediately after the zero crossing is at �Theta; = 0 is negative, and that immediately after the zero crossing �Theta; = π is positive.

Demgemäß kann, vorausgesetzt, dass klargestellt ist, welcher Phasenposition ein vorliegender Nulldurchgang entspricht, die Laufrichtung der Sonde dadurch ermittelt werden, dass die Amplitude des Signals unmittelbar nach dem Nulldurchgang gemessen wird. Um zu bestimmen, ob der Nulldurchgang ein Punkt mit &Theta; = 0 oder &Theta; = &pi; ist, wird der Wert des Kosinussignals untersucht.Accordingly, provided it is clear which phase position corresponds to an existing zero crossing, the direction of travel of the probe can be determined by measuring the amplitude of the signal immediately after the zero crossing. To determine whether the zero crossing is a point with Θ = 0 or Θ = π, the value of the cosine signal is examined.

So umfasst die Schaltung von Fig. 28 zwei weitere Elemente; eine Phasenauflöseschaltung 632 zum Erzeugen eines Signals, das angibt, ob ein vorliegender Nulldurchgang 0º oder &pi; entspricht, und eine Richtungsermittlungsschaltung 624, die anzeigt, ob ein vorliegender Nulldurchgang ein ansteigender oder ein abfallender Übergang ist, wie er jeweils einem Vorwärtsbzw. Rückwärtslauf der Sonde entspricht.Thus, the circuit of Fig. 28 includes two further elements; a phase resolution circuit 632 for generating a signal indicating whether a present zero crossing corresponds to 0° or π, and a direction detection circuit 624 which indicates whether a present zero crossing is a rising or falling transition, corresponding respectively to a forward or reverse sweep of the probe.

Gemäß Fig. 10 umfasst die Nulldurchgangs-Phasenerkennungsschaltung 623 bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Paar Latchstufen 625a, 625b mit D-Flipflops, die durch ein Taktsignal von 10 MHz von einem Quarzoszillator getaktet werden, um den Zustand des Signals von den Komparatoren 622a, 622b bei der auf Positiv laufenden Flanke des Taktsignals einzuspeichern. Das Frequenzansprechverhalten der Latchstufen ist daher auf 5 MHz beschränkt, und um Beeinflussung durch Störsignale zu verhindern, ist dies die Frequenz, über der die Filter innerhalb der Verstärker 621a, 621b gemäß der vorgenommenen Auswahl abschneiden sollten.Referring to Figure 10, in a preferred embodiment, the zero-crossing phase detection circuit 623 comprises a pair of latches 625a, 625b with D flip-flops clocked by a 10 MHz clock signal from a crystal oscillator to latch the state of the signal from the comparators 622a, 622b on the positive going edge of the clock signal. The frequency response of the latches is therefore limited to 5 MHz and, to prevent interference from noise, this is the frequency above which the filters within the amplifiers 621a, 621b should cut off according to the selection made.

Die Ausgangssignale der Sin-&Theta;-Latchstufe 625 werden über ein Logiknetzwerk mit einem Paar UND-Gattern 626a, 626b und ein Paar Invertern 627a, 627b an ein ODER-Gatter 628 geliefert. Das Ausgangssignal des ersten UND-Gatters 626a folgt dem normalen Ausgangssignal der Latchstufe 625a und das Ausgangssignal des zweiten 626b folgt dem invertierten Ausgangssignal der Latchstufe 625a.The outputs of the sin-θ latch 625 are provided to an OR gate 628 via a logic network comprising a pair of AND gates 626a, 626b and a pair of inverters 627a, 627b. The output of the first AND gate 626a follows the normal output of the latch 625a and the output of the second 626b follows the inverted output of the latch 625a.

Das invertierte Ausgangssignal der Cos-&Theta;-Latchstufe 625b wird an einen dritten Eingang des ODER-Gatters 628 geliefert. Daher ist das Signal an diesem Eingang des ODER-Gatters die Umkehrung des in Fig. 29C dargestellten Signals B. Wenn dieses Signal niedrig ist, bewirkt die Differenz der Schaltzeiten der UND-Gatter 626a, 626b eine kurze Zeitperiode, in der die Ausgangssignale der beiden niedrig sind, und daher eine kurze Dauer eines nach Negativ gehenden Impulses im ansonsten hohen Ausgangssignal des ODER- Gatters 628. Wenn jedoch das Ausgangssignal der Latchstufe 625b hoch ist, verbleibt das Ausgangssignal des ODER-Gatters 628 hoch. Das Ausgangssignal der Latchstufe 625b, die so angeschlossen ist, dass sie die quadrierte Version des Cos-&Theta;-Signals empfängt, wirkt so, dass es diejenigen Nulldurchgänge auswählt, die &Theta; = 0 entsprechen.The inverted output of the cos-θ latch 625b is provided to a third input of the OR gate 628. Therefore, the signal at this input of the OR gate is the inverse of the signal B shown in Fig. 29C. When this signal is low, the difference in the switching times of the AND gates 626a, 626b causes a short period of time in which the outputs of the two are low, and therefore a short duration of a negative going pulse in the otherwise high output of OR gate 628. However, when the output of latch 625b is high, the output of OR gate 628 remains high. The output of latch 625b, which is connected to receive the squared version of the cos θ signal, acts to select those zero crossings corresponding to θ = 0.

Das Ausgangssignal des ODER-Gatters 628, wie in Fig. 29D dargestellt, wird an den Eingang LÖSCHEN einer weiteren Latchstufe 625 gegeben, die erneut durch das über den Inverter 630 zugeführte Taktsignal auf hoch gesetzt wird und durch das nichtinvertierte Ausgangssignal der Latchstufe 625b über ein UND-Gatter 631 durchgeschaltet wird. Das Ausgangssignal der Latchstufe 629 geht daher beim Auftreten eines nach Negativ laufenden Impulses im Ausgangssignal des ODER-Gatters 628 (folgend auf einen nach Positiv laufenden Taktimpuls, der die Latchstufen 625a, 625b taktete) auf niedrig, und es geht erneut bei der folgenden, nach negativ laufenden Flanke des Taktsignals auf hoch. Das Ausgangssignal der Latchstufe 629 ist daher ein nach negativ laufender Impuls mit einer Dauer von 0,1 Mikrosekunden bei jedem Nulldurchgang der Phase 0º des Sin-&Theta;-Eingangssignals von der Messvorrichtung, wie in Fig. 29E dargestellt.The output of OR gate 628, as shown in Fig. 29D, is applied to the CLEAR input of another latch 625, which is again driven high by the clock signal supplied via inverter 630 and is gated by the non-inverted output of latch 625b via an AND gate 631. The output of latch 629 therefore goes low upon the occurrence of a negative-going pulse in the output of OR gate 628 (following a positive-going clock pulse which clocked latches 625a, 625b), and again goes high on the following negative-going edge of the clock signal. The output of latch 629 is therefore a negative going pulse of 0.1 microsecond duration at each zero crossing of the 0° phase of the Sin-θ input signal from the measuring device, as shown in Fig. 29E.

Die Schaltung 624 zum Auswählen, ob nach oben oder unten gezählt werden soll, muss bestätigen, ob der Zustand des Signals A beim Durchgang &Theta; = 0 steigt oder fällt. Dies kann leicht aus dem Ausgangssignal der Latchstufe 625a hergeleitet werden.The up or down counting selector circuit 624 must confirm whether the state of signal A is rising or falling when Θ = 0 passes. This can be easily deduced from the output of latch 625a.

Das in Fig. 29E dargestellte Taktsignal und das in Fig. 29F dargestellte Steuersignal für Auf/Ab-Zählen werden dann an die entsprechenden Eingänge eines Digitalzählerchips, der den Zähler 610 enthält, z. B. an ein Paar Zählerchips 74 AS 867, geliefert.The clock signal shown in Fig. 29E and the count up/down control signal shown in Fig. 29F are then provided to the corresponding inputs of a digital counter chip containing the counter 610, e.g., a pair of 74 AS 867 counter chips.

Interpolator 700Interpolator 700

Gemäß Fig. 31 enthält der Interpolator 700 gemäß dieser Erscheinungsform der Erfindung einen das Sin-&Theta;-Signal vom Interferometer empfangenden Eingang 710, eine Schätzschaltung 720 zum Erzeugen eines Signals &Phi;, das einen Schätzwert für die Phase &Theta; des Eingangssignals am Eingang 710 repräsentiert, und um eine Funktion dieses Schätzwerts &Phi; zu erzeugen (hier als F(&Phi;)) dargestellt und eine Abweichungserzeugungsschaltung 730, die ein Ausgangssignal &delta; erzeugt, das eine Funktion der Abweichung zwischen der geschätzten Phase &Phi; und der tatsächlichen Phase &Theta; des Eingangssignals ist, wobei dieses Abweichungsausgangssignal zum Steuern der Schätzschaltung 720 zurückgeführt wird.Referring to Fig. 31, the interpolator 700 according to this aspect of the invention includes an input 710 receiving the sin Θ signal from the interferometer, an estimation circuit 720 for generating a signal Φ representing an estimate of the phase Θ of the input signal at input 710, and for generating a function of this estimate Φ (here as F(Φ)) and an error generating circuit 730 which generates an output signal δ which is a function of the error between the estimated phase Φ and the actual phase θ of the input signal, this error output signal being fed back to control the estimation circuit 720.

Gemäß Fig. 32 umfasst eine besonders bevorzugte Weise zum Bereitstellen der Schätzeinrichtung und des Funktionsgenerators 720 das Bereitstellen eines Digitalzählers 721, der einen Zählwert einspeichert, der die geschätzte Phase &Phi; repräsentiert, und der mit einem Freigabesignal (CCK) zum Ändern des Zählwerts und einem Richtungsanzeigesignal (U/D) versehen wird, das anzeigt, ob der Zählwert zu inkrementieren oder zu dekrementieren ist. Das Ausgangssignal des Zählers ist demgemäß ein digitales Wort, das den Schätzwert &Phi; der Phase &Theta; des Eingangssignals repräsentiert. Das Ausgangssignal &Phi; wird auch an eine digitale Funktionsgeneratorschaltung geliefert, die geschickterweise einen Festwertspeicher enthält, der eine Nachschlagetabelle beinhaltet, die z. B. für jeden wert von &Phi; einen entsprechenden Wert der Funktion F(&Phi;) einspeichert. Der von der Nachschlagetabelle 722 ausgegebene Datenwert wird an den digitalen Eingang eines Digital-Analog-Wandlers 723 gegeben, der entsprechend ein analoges Ausgangssignal erzeugt, das den Wert der Funktion F(&Phi;) repräsentiert.Referring to Fig. 32, a particularly preferred way of providing the estimator and function generator 720 comprises providing a digital counter 721 which stores a count value representing the estimated phase Φ and which is provided with an enable signal (CCK) for changing the count value and a direction indication signal (U/D) indicating whether the count value is to be incremented or decremented. The output of the counter is thus a digital word representing the estimate Φ of the phase Θ of the input signal. The output Φ is also provided to a digital function generator circuit which conveniently includes a read-only memory containing a look-up table which stores, for example, for each value of Φ a corresponding value of the function F(Φ). The data value output from the lookup table 722 is applied to the digital input of a digital-to-analog converter 723, which accordingly produces an analog output signal representing the value of the function F(Φ).

Wenn die in Fig. 32 dargestellte Schaltung, mit der Funktion F(&Phi;) = sin(&Phi;), verwendet würde wie in Fig. 31 dargestellt, und der Abweichungssignalgenerator 730 lediglich als Subtrahierer arbeiten würde, wäre das Ausgangssignal &delta; das folgende:If the circuit shown in Fig. 32, with the function F(Φ) = sin(Φ), were used as shown in Fig. 31, and the deviation signal generator 730 were to operate only as a subtractor, the output signal δ would be the following:

&delta; = sin &Theta; - sin &Phi;, oderδ; = sin Θ - sin Φ, or

&delta; = 2 cos ((&Theta; + &Phi;) / 2) sin ((&Theta; - &Phi;) / 2)δ; = 2 cos ((�Theta; + Φ) / 2) sin ((�Theta; - Φ) / 2)

Da &Theta; durch &Phi; angenähert wird, führt dies zur Vereinfachung &delta; = (cos &Phi;) (&Theta; - &Phi;).Since Θ is approximated by Φ, this leads to the simplification δ = (cos Φ) (Θ - Φ).

Anders gesagt, ist der Wert des Abweichungssignals &delta; nicht nur eine Funktion der Differenz zwischen der geschätzen Phase &Phi; und der tatsächlichen Phase &Theta;, was das gewünschte Abweichungsmaß ist, sondern auch der tatsächlichen Phase &Theta; oder &Phi;. Demgemäß wäre es erforderlich, um dieses Abweichungssignal als Steuersignal zum Inkrementieren des Zählers 721 zu verwenden, einen Testschwellenwert bereitzustellen, der abhängig vom Wert von &Theta; oder &Phi; variiert.In other words, the value of the deviation signal δ is not only a function of the difference between the estimated phase Φ and the actual phase Θ, which is the desired deviation measure, but also of the actual phase Θ or Φ. Accordingly, in order to use this deviation signal as a control signal to increment the counter 721, it would be necessary to provide a test threshold that varies depending on the value of Θ or Φ.

Gemäß Fig. 33 arbeitet eine Alternativerealisierung des in Fig. 31 veranschaulichten Prinzips so, dass ein Abweichungssignal &delta; hergeleitet wird, das eine Funktion nur der Differenz zwischen der Eingangsphase &Theta; und der Schätzphase &Phi; ist. Zu diesem Zweck werden sowohl das Sin-&Theta;- als auch das Cos-&Theta;-Eingangssignal vom Interferometer verwendet. Wie in Fig. 32 nimmt ein Digitalzähler 721 eine Zwischenspeicherung einer Zahl vor, die den Wert der Schätzphase &Phi; repräsentiert, und diese Zahl umfasst das Ausgangssignal der Schaltung 700. Dieses Signal wird auch den Adressbussen eines Paars ROMs 722a, 722b zugeführt, von denen jeder eine Nachschlagetabelle einspeichert, die jeweils eine digitale Zahl repräsentiert, die dem Kosinus bzw. Sinus der Schätzphase &Phi; entspricht (anders gesagt, eine Tabelle mit Konstanten zwischen -1 und +1). Zum Beispiel kann der Zähler 721 ein 8-Bit-Zähler sein und die ROMs 722a, 722b können jeweils 256 8-Bit-Zahlen enthalten, von denen jeweils jedem möglichen Wert von &Phi; entspricht.Referring to Fig. 33, an alternative implementation of the principle illustrated in Fig. 31 operates to derive an error signal δ that is a function only of the difference between the input phase Θ and the estimate phase Φ. For this purpose, both the sin Θ and cos Θ input signals from the interferometer are used. As in Fig. 32, a digital counter 721 latches a number representing the value of the estimate phase Φ, and this number comprises the output of the circuit 700. This signal is also fed to the address buses of a pair of ROMs 722a, 722b, each of which stores a look-up table representing a digital number corresponding to the cosine and sine, respectively, of the estimate phase Φ (in other words, a table of constants between -1 and +1). For example, counter 721 may be an 8-bit counter and ROMs 722a, 722b may each contain 256 8-bit numbers, each of which corresponds to each possible value of Φ.

Die Datenbusse der ROMs 722a, 722b sind mit den digitalen Eingangsleitungen eines Paars jeweiliger multiplizierender Digital-Analog-Wandler 740a, 740b verbunden, von denen jeder ein Widerstands-Leiternetzwerk enthält, mit Umschaltbarkeit entsprechend den digitalen Eingangssignalen, um einen jeweiligen Widerstand an einen empfangenen, analogen Strom anzulegen und um demgemäß den Strom um ein Ausmaß zu schwächen, das proportional zum digitalen Eingangssignal in den multiplizierenden DAC ist. Der multiplizierende DAC 740a ist mit dem Sin-&Theta;-Eingang des Interpolators 700 verbunden und erzeugt demgemäß einen analogen Ausgangsstrom proportional zu sin &Theta; cos &Theta;. Der multiplizierende DAC 740b ist so angeschlossen, dass der Cos-&Theta;-Eingangssignal für den Interpolator 700 empfängt und entsprechend ein analoges Ausgangssignal erzeugt, das proportional zu cos &Theta; sin &Theta; ist. Die Abweichungssignal-Erzeugungsschaltung 730 umfasst eine Subtrahierschaltung, die ein Ausgangssignal proportional zu folgendem erzeugt:The data buses of the ROMs 722a, 722b are connected to the digital input lines of a pair of respective multiplying digital-to-analog converters 740a, 740b, each of which includes a resistive ladder network with switchability in accordance with the digital input signals to apply a respective resistance to a received analog current and thus attenuate the current by an amount proportional to the digital input signal to the multiplying DAC. The multiplying DAC 740a is connected to the sin Θ input of the interpolator 700 and thus produces an analog output current proportional to sin Θ cos Θ. The multiplying DAC 740b is connected to receive the cos θ input signal for the interpolator 700 and accordingly produce an analog output signal proportional to cos θ sin θ. The deviation signal generating circuit 730 includes a subtractor circuit that produces an output signal proportional to:

sin &Theta; cos &Phi; - cos &Theta; sin &Phi; = sin (&Theta; - &Phi;).sin Θ cos Φ; - cos Θ sin Φ; = sin(Θ - Φ).

Dieses Signal wird an eine Komparatorschaltung 725 geliefert, die ein Ausgangssignal zum Inkrementieren oder Dekrementieren des Zählers 721 immer dann, wenn der Wert des Abweichungssignals &Theta; - &Phi; einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, der dem geringstsignifikanten Bit innerhalb des Phasenzählers 721 entspricht, wobei der Schwellenwert, wie zuvor durch Vpp/2 sin (360(256) = 123 mV für Vpp = 10 V gegeben ist, erzeugt. Der Zähler 721 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass er hochzählt und demgemäß die Phase des eintreffenden Signais mit einer Zahl dividiert, die ausreichend hoch dafür ist, dass der Wert des SignalsThis signal is provided to a comparator circuit 725 which produces an output signal for incrementing or decrementing the counter 721 whenever the value of the deviation signal Θ - Φ exceeds a predetermined threshold corresponding to the least significant bit within the phase counter 721, the threshold being given as before by Vpp/2 sin (360(256) = 123 mV for Vpp = 10 V. The counter 721 is preferably designed to count up and accordingly divide the phase of the incoming signal by a number that is sufficiently high for the value of the signal

&delta; = sin (&Phi; - &Phi;)δ = sin (Φ - Φ)

ungefährapproximately

&Theta; - &Phi;Θ - Φ

entspricht; z. B. entspricht jedes Zählerinkrement, wenn der Zähler 721 ein 4-Bit-Zähler ist, einer Phasenverschiebung von 22,5º, und der Komparator 725 sorgt dafür, dass der Zähler 721 hochzählt, wenn die Schätzphase &Phi; um 22,5º von der wahren Phase abweicht. Bei 22,5º ist sin X keine zufriedenstellende Näherung für X, so dass der Zähler 721 mit Punkten inkrementiert wird, die nicht genau regelmäßig beabstandeten Phasenintervallen entsprechen. Andererseits tritt dann, wenn der Zähler 721 ein 8-Bit-Zähler ist, die maximale Phasennacheilung der Schätzphase &Phi; und der Signalphase &Theta; bei sin &Theta; = 360/256 = 1,4º auf.; for example, if counter 721 is a 4-bit counter, each counter increment corresponds to a phase shift of 22.5º, and comparator 725 causes counter 721 to increment when the estimated phase Φ deviates from the true phase by 22.5º. At 22.5º, sin X is not a satisfactory approximation of X, so counter 721 is incremented at points that do not correspond to precisely regularly spaced phase intervals. On the other hand, if counter 721 is an 8-bit counter, the maximum phase lag of the estimated phase Φ and the signal phase θ occurs at sin θ = 360/256 = 1.4º.

Über den Bereich 0 - 1,40 ist sin (&Theta; - &Phi;) eine gute Annäherung an &Theta; - &Phi;.Over the range 0 - 1.40, sin (Θ - Φ) is a good approximation to Θ - Φ.

Gemäß Fig. 34 kann es bevorzugt sein, nur positive Zahlen in den Nachschlagetabellen 722a, 722b abzuspeichern. Demgemäß können die in den ROMs abgespeicherten Funktionswerte stattdessen durch 1 + cos &Phi; und 1 - sin &Phi; (mit Werten zwischen 0 und +2) repräsentiert sein. Die zusätzlichen Terme sin &Theta; und cos &Theta; im Ausgangssignal der multiplizierenden DACs 740a, 740b werden durch Subtrahieren der Eingangswerte sin &Theta; und cos &Theta; aus den zugehörigen Ausgangssignalen entfernt.According to Fig. 34, it may be preferable to store only positive numbers in the look-up tables 722a, 722b. Accordingly, the function values stored in the ROMs may instead be represented by 1 + cos Φ and 1 - sin Φ (with values between 0 and +2). The additional terms sin Θ and cos Θ in the output of the multiplying DACs 740a, 740b are removed by subtracting the input values sin Θ and cos Θ from the corresponding output signals.

Zu &Phi; kann ein Versatz von der Hälfte des geringssignifikanten Bits, 0,7º, hinzugefügt werden, damit die Tabellen 1 + cos (&Phi; + 0,7) 1 - sin (&Phi; + 0,7) speichern, um für ein Aufrunden zu sorgen.An offset of half the least significant bit, 0.7º, can be added to Φ so that the tables store 1 + cos (Φ + 0.7) 1 - sin (Φ + 0.7) to provide rounding up.

Demgemäß umfasst der Interpolator 700 ferner ein Paar Pufferverstärker 741a, 741b mit z. B. invertierenden Operationsverstärkerschaltungen mit Verstärkungsfaktoren -1. Die Ausgangssignale der Verstärker 741a, 741b werden, zusammen mit den Sin-&Theta;- und Cos-&Theta;-Eingangssignalen am invertierenden Anschluss eines invertierenden Operationsverstärkers 731 mit der Verstärkung 1 aufsummiert, der dadurch ein Ausgangssignal erzeugt, das sin &Theta; cos &Phi; - cos &Theta; sin 4) = sin (&Theta; - 4)) entspricht. Wenn die abgespeicherten Werte einen Versatz enthalten, wie oben erörtert, entspricht das Ausgangssignal &Theta; - 4) - Versatz.Accordingly, the interpolator 700 further comprises a pair of buffer amplifiers 741a, 741b having, for example, inverting operational amplifier circuits with gains of -1. The output signals of the amplifiers 741a, 741b, together with the sin Θ and cos Θ input signals, are summed at the inverting terminal of an inverting operational amplifier 731 having gain of 1, which thereby produces an output signal equal to sin Θ cos Φ - cos Θ sin 4) = sin (Θ - 4)). If the stored values contain an offset, as discussed above, the output signal corresponds to Θ - 4) - offset.

Die Polarität dieses Abweichungssignals (die anzeigt, ob der Schätzwert gegenüber der gewünschten Phase &Theta; vor- oder nacheilt) wird durch einen Komparator 751 erfasst, dessen logisches Ausgangssignal den Auf/Ab-Zähleingangswert des Zahlers 721 steuert.The polarity of this deviation signal (indicating whether the estimate is leading or lagging the desired phase Θ) is sensed by a comparator 751, the logic output of which controls the up/down count input of counter 721.

Das Abweichungssignal wird auch der Komparatorschaltung 725 zugeführt, die einen ersten Komparator 725a mit vorbestimmten Schwellenwert, der dem geringssignifikanten Bit des Zählers 721 entspricht, und einen zweiten Komparator 725b mit identischem Schwellenwert, dem jedoch ein invertierender Operationsverstärker 726 mit der Verstärkung 1 vorangeht, umfasst. Der Komparator 725a erzeugt daher ein Ausgangssignal, wenn die Abweichung einen vorbestimmten positiven Schwellenwert überschreitet, und der Komparator 725b erzeugt ein Ausgangssignal, wenn das Abweichungssignal einen entsprechenden negativen Schwellenwert überschreitet.The deviation signal is also fed to the comparator circuit 725, which comprises a first comparator 725a with a predetermined threshold corresponding to the least significant bit of the counter 721 and a second comparator 725b with an identical threshold but preceded by an inverting operational amplifier 726 with a gain of 1. The comparator 725a therefore produces an output signal when the deviation exceeds a predetermined positive threshold and the comparator 725b produces an output signal when the deviation signal exceeds a corresponding negative threshold.

Die Ausgangssignale der zwei Komparatoren 725a, 725b werden in eine Logikschaltung 727 eingegeben, die eine ODER-Operation ausführt, um für ein Signal EN zum Ändern des Zählwerts des Zählers 721 hervorzurufen, wenn einer der Komparatoren anzeigt, dass sein Schwellenwert überschritten wurde. Das Haupttaktsignal von 10 MHz wird an eine Synchronisierlogikschaltung 760 geliefert, die das Signal von der Komparatorschaltung 725 auf solche Weise zeitlich zurückversetzt (z. B. einspeichert und verzögert), dass es einer korrigierten Phase des Haupttakts entspricht. Die Synchronisierlogikschaltung 760 ist mit dem Zählfreigabeeingang des Zählers 721 verbunden, um für eine entsprechende Inkrementierung oder Dekrementierung des eingespeicherten Taktzählwerts zu sorgen, der die Schätzphase 4) repräsentiert.The output signals of the two comparators 725a, 725b are input to a logic circuit 727 which performs an OR operation to cause a signal EN to change the count value of the counter 721 when either comparator indicates that its threshold has been exceeded. The 10 MHz master clock signal is provided to a synchronization logic circuit 760 which re-times (e.g. latches and delays) the signal from the comparator circuit 725 in such a way that it corresponds to a corrected phase of the master clock. The synchronization logic circuit 760 is connected to the count enable input of the counter 721 to provide for a corresponding increment or decrement of the latched clock count value representing the estimation phase 4).

Die Synchronisierlogikschaltung 760 ist so ausgebildet, dass sie die Haupttaktfrequenz durch 10 teilt, bevor ein Signal von der Komparatorschaltung 725 an den Eingang des Zählers 721 angelegt wird, damit der Zähler 721 pro Mikrosekunde nur einmal inkrementiert wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass ein Schalten des Zählers 721 auf Grund vorübergehender Störsignalwerte des Abweichungssignals verhindert werden soll, wie sie durch Schaltvorgänge innerhalb der multiplizierenden DACs 740a, 740b hervorgerufen werden; ohne eine Maßnahme zum Verhindern derartiger vorübergehender Signale, wäre es möglich, dass eine Änderung des Zählwerts des Zählwerts 721 umschaltende, vorübergehende Signale in den Ausgangssignalen der DACs 740a, 740b hervorrufen würde, was dann den Zählwert des Zählers erneut ändern würde. Jedoch sind andere Maßnahmen zum Begenzen des Ansprechverhaltens des Systems auf derartige vorübergehende Signale möglich (z. B. Tiefpassfilterung innerhalb des analogen Schaltungspfads).The synchronization logic circuit 760 is arranged to divide the master clock frequency by 10 before applying a signal from the comparator circuit 725 to the input of the counter 721 so that the counter 721 is incremented only once per microsecond. The reason for this is to prevent switching of the counter 721 due to transient noise levels of the deviation signal, such as those caused by switching operations within the multiplying DACs 740a, 740b; without some means to prevent such transient signals, it would be possible that a change in the count value of the counter 721 would cause toggling transient signals in the output signals of the DACs 740a, 740b, which would then change the count value of the counter again. However, other means to limit the response of the system to such transient signals are possible (e.g. low-pass filtering within the analog circuit path).

Bei der Schaltung von Fig. 34 zeigt es sich, dass die Ausklingzeiten, wie sie dazu erforderlich sind, dass derartige vorübergehende Signale aussterben können, der Faktor ist, der die Geschwindigkeit des Interpolators begrenzt. Eine Ausklingzeit von 1 Mikrosekunde, bei einem 8-Bit-Zähler, der 256 Werte für &Phi; zwischen benachbarten Streifen liefert, ergibt sich eine maximale Nachführrate von 3,9 kHz (Streifen pro Sekunde).In the circuit of Fig. 34 it is seen that the decay times required to allow such transient signals to die out is the factor limiting the speed of the interpolator. A decay time of 1 microsecond, with an 8-bit counter providing 256 values of φ between adjacent stripes, gives a maximum tracking rate of 3.9 kHz (stripes per second).

Durch Liefern eines digitalen Schätzwerts für die Phase 4) und durch Verwenden einer Digital-Analog-Wandlung zum Vergleichen desselben innerhalb der Analogdomäne mit dem Eingangssignal ist es möglich, einen kosteneffektiven und relativ billigen Interpolator im Vergleich mit Bauteilen zu schaffen, die mit Analog-Digital-Wandlung des Eingangssignals arbeiten, da billige Analog-Digital-Wandler langsam sind und schnelle Analog-Digital-Wandler teuer sind. Durch Bereitstellen eines digitalen Zählers im digitalen Ausgangsbauteil anstelle eines Mikroprozessors wird auf ähnliche Weise erhöhte Geschwindigkeit erzielt.By providing a digital estimate for phase 4) and using a digital-to-analog conversion to compare it within the analog domain with the input signal, it is possible to provide a cost-effective and relatively inexpensive interpolator compared to devices that use analog-to-digital conversion of the input signal, since cheap analog-to-digital converters are slow and fast analog-to-digital converters are expensive. By providing a digital counter in the digital output device instead of a microprocessor, increased speed is similarly achieved.

Es wird erneut auf die Fig. 34 und 26 Bezug genommen, aus denen es ersichtlich ist, dass der Zähler 600 und der Interpolator 700 im wesentlichen unabhängig arbeiten. Daher kann ein Problem auftreten, wenn sich die Phase &Theta; des Eingangssignals null annähert. Wenn der Interpolator 700 den Phasenpunkt &Theta; = 0 erreicht, wechselt sein Ausgangssignal zwischen 0 und seinem Maximalwert (z. B. 256). Wenn dies nicht synchron mit dem Punkt auftritt, zu dem der Streifenzähler 600 den Nulldurchgang erkennt, und daher einen zusätzlichen Streifen zählt, weisen die kombinierten Ausgangssignale des Interpolators 700 und des Streifenzählers 600 eine Abweichung um einen Streifen auf, wenn der Zähler 600 so arbeitet. Da die Schaltungen unabhängig sind, besteht beliebige Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Punkte, an denen jede derselben den Nullphasenzustand registriert, verschieden sind.Referring again to Figures 34 and 26, it can be seen that counter 600 and interpolator 700 operate essentially independently. Therefore, a problem can arise when the phase Θ of the input signal approaches zero. When interpolator 700 reaches the phase point Θ = 0, its output alternates between 0 and its maximum value (e.g., 256). If this does not occur synchronously with the point at which strip counter 600 detects the zero crossing and therefore counts an additional strip, the combined outputs of interpolator 700 and strip counter 600 will have a deviation of one strip when counter 600 is so operating. Since the circuits are independent, there is any probability that the points at which each registers the zero phase condition are different.

Ferner steigt, gemäß Fig. 35A, unter Umständen dann, wenn in den Tabellen ein Versatz abgespeichert ist und die Phase &Theta; durch null läuft, der Wert &Theta;- &Phi;)-Versatz nicht auf einen Pegel, der dazu ausreicht, die Komparatoren 725a, 725b zu triggern, bevor die Polarität wechselt. Demgemäß wird von der Komparatorschaltung 725 das Signal nicht geliefert, das zum Inkrementieren des Zählers 721 und zum Veranlassen, dass er bei null neu startet, erforderlich ist. Um den Zähler 600 und den Interpolator 700 zu synchronsieren und um sicherzustellen, dass der Interpolator 700 auf den Nulldurchgang der Phase reagiert, wird das innerhalb des Zählers 600 hergeleitete Taktsignal (CCK) an die Synchronisierlogik 660 geliefert, wie in Fig. 32 dargestellt, und invertiert, wie in Fig. 33C dargestellt, um für ein zusätzliches Schaltsignal zu sorgen, das zum Inkrementieren/Dekrementieren des Zählers 721 geliefert wird.Furthermore, as shown in Fig. 35A, if an offset is stored in the tables and the phase Θ passes through zero, the Θ-Φ offset value may not rise to a level sufficient to trigger the comparators 725a, 725b before the polarity changes. Accordingly, the signal required to increment the counter 721 and cause it to restart at zero is not provided by the comparator circuit 725. To synchronize the counter 600 and the interpolator 700 and to ensure that the interpolator 700 responds to the zero crossing of the phase, the clock signal (CCK) derived within the counter 600 is provided to the synchronization logic 660 as shown in Fig. 32 and inverted as shown in Fig. 33C to provide an additional switching signal provided for incrementing/decrementing the counter 721.

ALTERNATIVE AUSFÜHRUNGSBEISPIELEALTERNATIVE IMPLEMENTATION EXAMPLES

Es sind verschiedene Modifizierungen des oben beschriebenen Zählers und der Interpolatorschaltung möglich. Zum Beispiel könnte die Schätzschaltung 720 von Fig. 31 anstelle eines Phasenzählers, der durch das Abweichungssignal &Theta; inkrementiert wird, einen frei-laufenden Zähler aufweisen, dessen Zählfrequenz durch das Abweichungssignal &Theta; gesteuert wird. Jedoch hat sich dies bei interferometrischen Messvorrichtungen für Oberflächen- oder Profilmessungen als unerwünscht herausgestellt, da das Ansprechverhalten derartiger Ausführungsbeispiele bei niedrigen Frequenzen oder der Frequenz null instabil und ungenau ist.Various modifications to the counter and interpolator circuit described above are possible. For example, instead of a phase counter incremented by the deviation signal Θ, the estimation circuit 720 of Fig. 31 could comprise a free-running counter whose counting frequency is controlled by the deviation signal Θ. However, this has proven undesirable in interferometric measuring devices for surface or profile measurements, since the response of such embodiments is unstable and inaccurate at low frequencies or zero frequency.

Da das Abweichungssignal sin (&Theta; - 4)) nahe an einem Näherungswert für die Phasenabweichung &Theta; - 4) liegt, wäre es möglich, dieses Abweichungssignal für größere Genauigkeit zu digitalisieren, wobei ein weiteres, weniger signifikantes Bit zum Ausgangssignal des Jnterpolators hinzugefügt würde. Alternativ könnte dieselbe Genauigkeit dadurch aufrechterhalten werden, dass die Anzahl der Bits im Zähler 721, um die Phase zwischen Streifen grober zu unterteilen, auf einen Wert verringert wird, bei dem sin (&Theta; - 4)) immernoch eine vernünftig gute Annäherung an &Theta; - 4) ist und die verlorene Genauigkeit durch Digitalisieren des Differenzsignals wiederzugewinnen. Dies könnte die maximale Nachfahrrate des Interpolators etwas erhöhen.Since the deviation signal sin(Θ - 4)) is close to an approximation of the phase deviation Θ - 4), it would be possible to digitize this deviation signal for greater accuracy, adding another, less significant bit to the output of the interpolator. Alternatively, the same accuracy could be maintained by reducing the number of bits in counter 721 to more coarsely divide the phase between strips to a value where sin(Θ - 4)) is still a reasonably good approximation of Θ - 4), and regaining the lost accuracy by digitizing the difference signal. This could increase the maximum tracking rate of the interpolator somewhat.

Ausgabeoutput

Gemäß Fig. 34, gemäß der der Phasenwinkelzähler 721 die Phase zwischen Streifen in eine Zahl unterteilt, die eine Potenz von zwei ist, kann der Ausgang des Phasenzählers 721 mit einem digitalen Ausgangsdatenbus für die Bits 0 - 7 niedriger Ordnung eines Worts, für das das binäre Ausgangssignal des Streifenzählers 610 die Bits höherer Ordnung enthält, verbunden werden.Referring to Fig. 34, where the phase angle counter 721 divides the phase between stripes into a number that is a power of two, the output of the phase counter 721 may be connected to a digital output data bus for the lower order bits 0-7 of a word for which the binary output of the strip counter 610 contains the higher order bits.

Wenn die Anzahl der gezählten Streifen nicht in genau linearer Beziehung zum durch eine Sonde oder dergleichen zurückgelegten Weg steht, wie bei der oben erörterten interferometrischen Messvorrichtung, wird dieser digitale Ausgangsbus mit einer in Fig. 26 dargestellten Nichtlinearitäts-Korrekturschaltung 800 verbunden, die einfach einen Festwertspeicher für die Adressenleitungen, an die das digitale Ausgangswort gegeben wird, aufweisen kann, wodurch ein entsprechendes, korrigiertes digitales Wort auf dessen Datenbusleitungen erzeugt wird.When the number of fringes counted is not in exact linear relationship to the path traveled by a probe or the like, as in the interferometric measuring device discussed above, this digital output bus is connected to a non-linearity correction circuit 800 shown in Figure 26, which may simply comprise a read-only memory for the address lines to which the digital output word is applied, thereby producing a corresponding, corrected digital word on its data bus lines.

Eine Skalierschaltung 810 mit einem Digitalmultiplizierer (z. B. einer weiteren ROM-Nachschlagetabelle) ist vorhanden, um das korrigierte Ausgangssignal der Korrekturschaltung 800 in einer geschickten Form in Wegeinheiten auszugeben, falls erforderlich. Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt der Sondenweg, wie er jedem Streifen-Streifen-Intervall entspricht, 0,833 um, und demgemäß entspricht jedes 1/256-Phasenintervall 3,25 nm, so dass der Multiplizierer 810 mit 1/3,25 multipliziert, um die korrigierte Zahl in Nanometer umzusetzen.A scaling circuit 810 with a digital multiplier (e.g., another ROM look-up table) is provided to output the corrected output of the correction circuit 800 in a convenient form in units of distance, if required. In the embodiment described above, the probe distance corresponding to each stripe-to-stripe interval is 0.833 µm, and accordingly each 1/256 phase interval corresponds to 3.25 nm, so the multiplier 810 multiplies by 1/3.25 to convert the corrected number into nanometers.

Obwohl die Korrektur- und Skalierschaltungen 800, 810 der Deutlichkeit halber getrennt dargestellt sind, können sie in der Praxis geschickterweise denselben Nachschlagetabellen-ROM enthalten, der sowohl Korrektur als auch Skalierung ausführt. Der durch die Skalierschaltung 810 gelieferte Faktor wäre durch Berechnung aus den Abmessungen und der Geometrie der Messvorrichtung bekannt, und die Nichtlinearitätskorrektur würde geschickterweise in einer Kalibrierphase durch Messen der digitalen Ausgangswörter aus dem Zähler 600 und dem Interpolator 700 auf die Messung bekannter Oberflächen oder Profile hin hergeleitet werden.Although the correction and scaling circuits 800, 810 are shown separately for clarity, in practice they may conveniently contain the same look-up table ROM which performs both correction and scaling. The factor provided by the scaling circuit 810 would be known by calculation from the dimensions and geometry of the measuring device, and the non-linearity correction would conveniently be derived in a calibration phase by measuring the digital output words from the counter 600 and the interpolator 700 against the measurement of known surfaces or profiles.

Aus dem Vorstehenden ist es ersichtlich, dass die digitale Verarbeitungsschaltung 150 mit dem Streifenzähler 600 und dem Interpolator 700 bei anderen Typen interferometrischer Instrumente als den zuvor beschriebenen verwendet werden könnte und dass die zuvor beschriebene interferometrische Messvorrichtung mit anderen Signalverarbeitungsschaltungen verwendet werden könnte.From the foregoing, it will be appreciated that the digital processing circuit 150 with the fringe counter 600 and the interpolator 700 could be used with other types of interferometric instruments than those previously described, and that the interferometric measuring device previously described could be used with other signal processing circuits.

Ferner könnte sowohl die Streifenschaltung als auch die Interpolatorschaltung gesondert verwendet werden, obwohl es besonders vorteilhaft ist, eine Nulldurchgangserkennungs-Streifenzählerschaltung, wie oben beschrieben, in Verbindung mit der oben beschriebenen Interpolatorschaltung zu verwenden, da dies für einen genauen Phasenbezug sorgt.Furthermore, both the strip circuit and the interpolator circuit could be used separately, although it is particularly advantageous to use a zero-crossing detection strip counter circuit as described above in conjunction with the interpolator circuit described above, as this ensures an accurate phase reference.

Ferner sind die Vorspannungskraft-Erzeugungseinrichtungen 400 zum Drücken der Sonde oder der Abnehmernadel in Kontakt mit einem zu messenden Gegenstand auf andere Typen von Me-ss instrumenten als die oben beschriebenen anwendbar, z. B. auf Messvorrichtungen mit induktiver Erfassung. Wenn sie jedoch zusammen verwendet werden, kann die oben beschriebene Me-ss vorrichtung zusammen mit der Signalverarbeitungs-Ausgabeschaltung eine extrem kompakte Einheit bilden, die an einer einzelnen Vorschubeinheit 110 ohne übermäßige Belastung auf deren Vertikalständer angebracht werden kann, wobei eine Niederspannungsversorgung verwendet wird, die sicherer als die bisher für Helium-Neon-Laser verwendeten ist, wobei ein geschicktes digitales Ausgangssignal erzeugt wird, das eine dynamische Auflösung von z. B. bis zu 1,8 x 10&sup6; : 1 bietet.Furthermore, the bias force generating means 400 for urging the probe or pickup needle into contact with an object to be measured are applicable to other types of measuring instruments than those described above, e.g., inductive sensing measuring devices. However, when used together, the measuring device described above together with the signal processing output circuit can form an extremely compact unit that can be mounted on a single feed unit 110 without undue stress on its vertical stand, using a low voltage supply that is safer than those previously used for helium-neon lasers, producing a sophisticated digital output signal that provides a dynamic resolution of e.g., up to 1.8 x 106:1.

Claims (45)

1. Vorrichtung zum Messen von Oberflächenmerkraalen, mit einer Sonde (130), um eine zu messende Oberfläche zu berühren und sich entlang der Oberfläche zu bewegen, und mit einem Sondenhalter (120), um die Sonde (130) so zu tragen, daß sie um einen Drehpunkt (121) eine Drehbewegung ausführen kann, gekennzeichnet durch ein Gitter-Interferometer, um ein Maß für die Drehbewegung der Sonde (130) zu liefern, mit einem Beugungsgitter (300), das auf einer gekrümmten Fläche angeordnet ist, die mit dem Sondenhalter (120) verbunden ist, so daß sie sich mit der Sonde (130) bewegt, und die einen Krümmungsmittelpunkt bei dem Punkt (121), um den sich die Sonde drehen kann, aufweist.1. Apparatus for measuring surface characteristics, comprising a probe (130) for contacting a surface to be measured and moving along the surface, and with a probe holder (120) for supporting the probe (130) so that it can perform a rotary movement about a pivot point (121), characterized by a grating interferometer for providing a measure of the rotary movement of the probe (130), with a diffraction grating (300) arranged on a curved surface which is connected to the probe holder (120) so that it moves with the probe (130) and which has a center of curvature at the point (121) about which the probe can rotate. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gitter weiter weg von der Sonde als der Drehpunkt mit dem Sondenhalter verbunden ist.2. The device of claim 1, wherein the grid is connected to the probe holder further away from the probe than the pivot point. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Fokussiereinrichtung zur optischen Korrektur der optischen Effekte der Gitterkrümmung.3. Device according to claim 1 or 2, with a focusing device for optically correcting the optical effects of the grating curvature. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Gitter von dem Strahl einer Strahlquelle beleuchtet wird und bezüglich des Strahls konvex ist.4. Apparatus according to claim 3, wherein the grating is illuminated by the beam of a beam source and is convex with respect to the beam. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Fokussiereinrichtung eine bündelnde Linse zwischen der Strahlquelle und dem Gitter aufweist.5. Device according to claim 4 or 5, wherein the focusing device comprises a converging lens between the beam source and the grating. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gitter durch einen Strahl von einer Strahlquelle so beleuchtet wird, daß ihr Strahl von ihm gebündelt wird und wobei das Gitter bezüglich des Strahls konkav und die vom Gitter erzeugten gebeugten Strahlen aufgrund der Divergenz der Strahlquelle und der von dem gekrümmten Gitter hervorgerufenen Konvergenz jewells im wesentlichen parallel sind.6. Device according to claim 1 or 2, wherein the grating is illuminated by a beam from a beam source so that its beam is focused by it and wherein the grating is concave with respect to the beam and the diffracted rays produced by the grating are due to the divergence of the beam source and the convergence caused by the curved grating are essentially parallel. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Interferometer eine Einrichtung aufweist, um ein Paar gebeugter Strahlen entgegengesetzt gleicher Ordnung auf eine Verbindungseinrichtung zu richten, die zwischen ihnen eine Interferenz erzeugt.7. Apparatus according to any preceding claim, wherein the interferometer comprises means for directing a pair of oppositely diffracted beams of the same order to a connecting means which produces interference between them. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die von den beiden gebeugten Strahlen bis zu der Verbindungseinrichtung zurückgelegten Weglängen im wesentlichen gleich sind.8. Apparatus according to claim 7, wherein the path lengths traveled by the two diffracted beams to the connecting device are substantially equal. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Richtungseinrichtung zwei reflektierende Flächen aufweist.9. Device according to claim 7 or 8, wherein the directing device has two reflecting surfaces. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die zwei Flächen äußere Flächen eines einheitlichen Prismas beinhalten.10. The apparatus of claim 9, wherein the two surfaces comprise outer surfaces of a unitary prism. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Prisma, in das von dem Gitter ein Paar gebeugter Strahlen entgegengesetzt gleicher Ordnung. gerichtet werden und von dessen Flächen die gebeugten Strahlen zu einer Verbindungseinrichtung hin reflektiert werden.11. Device according to one of claims 1 to 6, with a prism into which a pair of diffracted rays of the same order are directed from the grating and from whose surfaces the diffracted rays are reflected towards a connecting device. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die optischen Weglängen von dem Gitter zu der Verbindungseinrichtung im wesentlichen gleich sind.12. The apparatus of claim 11, wherein the optical path lengths from the grating to the connector are substantially equal. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Reflexion von den Flächen aufgrund der Geometrie und des Brechungsindex des Prismas eine innere Totalreflexion ist.13. Device according to one of claims 10 to 12, wherein the reflection from the surfaces is a total internal reflection due to the geometry and the refractive index of the prism. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die reflektierenden Flächen parallel sind.14. Device according to one of claims 10 to 13, wherein the reflecting surfaces are parallel. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Einfalls- und Reflektionswinkel aufgrund der Geometrie und des Brechungsindex des Prismas 450 sind.15. Device according to one of claims 10 to 14, wherein the angles of incidence and reflection are due to the geometry and the refractive index of the prism 450. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Verbindungseinrichtung eine haibreflektierende innere Fläche des Prismas beinhaltet.16. Apparatus according to any one of claims 10 to 15, wherein the connecting means includes a semi-reflective inner surface of the prism. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die halbreflektierende Fläche eine dichroische Schicht aufweist.17. The device of claim 16, wherein the semi-reflective surface comprises a dichroic layer. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Winkel, unter dem der Strahl darauf auftrifft, etwa 450 beträgt.18. The device of claim 17, wherein the angle at which the beam impinges thereon is about 45°. 19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Halbleiter-Laserdioden-Beleuchtungsquelle.19. Device according to one of the preceding claims with a semiconductor laser diode illumination source. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 mit einer Beleuchtungsquelle, die unter Filterung durch ein schmalbandiges Filter eine Einrichtung zur Aussendung im wesentlichen monochromatischen Lichts aufweist.20. Device according to one of claims 1 to 20 with an illumination source which, when filtered by a narrow-band filter, has a device for emitting substantially monochromatic light. 21. Vorrichtung nach einem der. vorhergehenden Ansprüche mit einer Vorspanneinrichtung zur Vorspannung der Sonde im eine vorbestimmte Richtung.21. Device according to one of the preceding claims with a biasing device for biasing the probe in a predetermined direction. 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die vorbestimmte Richtung zu der Oberfläche hinweist.22. The apparatus of claim 21, wherein the predetermined direction is toward the surface. 23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die vorbestimmte Richtung zu einer bestimmten Position hinweist.23. The apparatus of claim 22, wherein the predetermined direction points to a specific position. 24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, mit einer Vorspanneinrichtung zur Ausübung einer Kraft auf die Sonde, so daß deren Vibrationen gedämpft werden.24. Device according to one of claims 1 to 20, with a biasing device for exerting a force on the probe, so that its vibrations are dampened. 25. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Kraft in Beziehung zur Geschwindigkeit der Sondeneinrichtung steht.25. The apparatus of claim 24, wherein the force is related to the speed of the probe device. 26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei die Vorspanneinrichtung einen elektromagnetischen Betätiger beinhaltet.26. Device according to one of claims 21 to 25, wherein the biasing device includes an electromagnetic actuator. 27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei der Betätiger eine ein Kernstück umgebende Spule aufweist.27. The apparatus of claim 26, wherein the actuator comprises a coil surrounding a core. 28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, wobei die Vorspanneinrichtung ein Paar gegeneinander wirkender Vorspanne lernente umfaßt.28. Device according to one of claims 21 to 27, wherein the biasing means comprises a pair of counteracting biases. 29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Einrichtung, um unter Interferenzbildung ein Paar gebeugter Strahlen unterschiedlicher Polarisationen zu verbinden, wobei die Einrichtung einen Strahlteiler zur Bildung einer reflektierten und einer durchgelassenen Ausgabe und eine Einrichtung zur Erzeugung eines auf die Differenz zwischen den Ausgaben ansprechenden Signals aufweist.29. Apparatus according to any one of claims 1 to 6, comprising means for combining, with interference, a pair of diffracted beams of different polarizations, said means comprising a beam splitter for forming a reflected and a transmitted output and means for producing a signal responsive to the difference between the outputs. 30. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Differenzeinrichtung ein Paar optoelektrischer Wandler zur Erzeugung entsprechender elektrischer Signale und eine die elektrischen Signale empfangende und ein zu ihrer Differenz proportionales elektrisches Ausgangssignal erzeugende Einrichtung beinhaltet.30. Apparatus according to claim 29, wherein the difference means includes a pair of opto-electrical transducers for generating corresponding electrical signals and means for receiving the electrical signals and generating an electrical output signal proportional to their difference. 31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Interpolator zur Verarbeitung von aus dem Ausgang des Interferometers abgeleiteten Signalen, um ein Ausgangssignal mit Bezug zu der Winkelposition zwischen Interferenzmustern des Interferometerausgangs zu liefern, wobei der Interpolator eine Einrichtung zur Erzeugung eines Schätzsignals mit Bezug zu der Winkelposition, eine Einrichtung zur Erzeugung des Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem Schätzsignal, eine Einrichtung, um von dem Schätzsignal eine von ihm abhängende Funktion zu erzeugen, und eine Einrichtung zur Steuerung des in Abhängigkeit von dem erzeugten Funktionssignal und dem Eingangssignal erzeugten Schätzsignals, um deren Differenz zu verringern, aufweist.31. Apparatus according to any preceding claim, comprising an interpolator for processing signals derived from the output of the interferometer to provide an output signal relating to the angular position between interference patterns of the interferometer output, the interpolator comprising means for generating an estimate signal relating to the angular position, means for Generation of the output signal as a function of the estimation signal, means for generating from the estimation signal a function dependent thereon, and means for controlling the estimation signal generated as a function of the generated function signal and the input signal in order to reduce their difference. 32. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei das Schätzsignal ein digitales Signal ist und die funktionserzeugende Einrichtung eine digital/analog-Wandlereinrichtung beinhaltet.32. The apparatus of claim 31, wherein the estimation signal is a digital signal and the function generating means includes a digital-to-analog converter means. 33. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei das Schätzsignal ein Digitalsignal darstellt und die Steuerungseinrichtung eine Einrichtung zur Anderung des Wertes des Digitalsignals um einen Zählwert, wenn das Differenzsignal eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, aufweist, um das Differenzsignal zu verringern.33. The apparatus of claim 31, wherein the estimate signal represents a digital signal and the control means comprises means for changing the value of the digital signal by a count value when the difference signal exceeds a predetermined threshold to reduce the difference signal. 34. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die vorbestimmte Schwelle konstant ist und das Differenzsignal wenigstens näherungsweise linear von der Winkelposition abhängt.34. The device of claim 33, wherein the predetermined threshold is constant and the difference signal depends at least approximately linearly on the angular position. 35. Vorrichtung nach Anspruch 34, wobei sich das Differenzsignal an den Sinus der Differenz zwischen dem Schätzsignal und dem Eingangssignal annähert.35. The apparatus of claim 34, wherein the difference signal approximates the sine of the difference between the estimate signal and the input signal. 36. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Steuereinrichtung so eingerichtet ist, daß sie das Schätzsignal in Abwesenheit einer Änderung des Eingangssignals nicht ändert, um den Frequenzbereich der Vorrichtung auf Gleichstrombetrieb auszudehnen.36. The apparatus of claim 31, wherein the control means is arranged not to change the estimate signal in the absence of a change in the input signal to extend the frequency range of the apparatus to DC operation. 37. Vorrichtung nach Anspruch 31, die zum Empfang eines Paars von Eingangssignalen unterschiedlicher Phase eingerichtet ist.37. Apparatus according to claim 31, arranged to receive a pair of input signals of different phase. 38. Vorrichtung nach Anspruch 37, wobei das Signalpaar Sinus- und Cosinussignale mit um 90º verschiedener Phase beinhaltet.38. The apparatus of claim 37, wherein the signal pair includes sine and cosine signals with 90° different phases. 39. Vorrichtung nach Anspruch 38 mit einer Einrichtung zur Erzeugung geschätzter Sinus- und Cosinussignale, einer Einrichtung zur Erzeugung von Produktsignalen entsprechend den Produkten der geschätzten Sinus- und Cosinussignalen und entsprechenderweise den eingegebenen Cosinus- und Sinussignalen und einer Einrichtung, um aus der Differenz zwischen ihnen ein Signal zu erzeugen, daß die Differenz in der Winkelposition zwischen den Eingangssignalen und den Schätzsignalen angibt, um die Schätzsignal-Erzeugungseinrichtung zu steuern.39. Apparatus according to claim 38, comprising means for generating estimated sine and cosine signals, means for generating product signals corresponding to the products of the estimated sine and cosine signals and correspondingly the input cosine and sine signals, and means for generating from the difference between them a signal indicative of the difference in angular position between the input signals and the estimate signals, to control the estimate signal generating means. 40. Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei die Schätzsignal-Erzeugungseinrichtung eine Digitalsignal-Erzeugungseinrichtung und die Multiplikationseinrichtung multiplizierende digital/analog-Wandler aufweisen40. Device according to claim 39, wherein the estimation signal generating device comprises a digital signal generating device and the multiplication device comprises multiplying digital/analog converters 41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 40, mit einer Einrichtung zum Zählen von Interferenzmustern oder Maxirna, die in dem Ausgangssignal oder den Ausgangssignalen erkannt werden.41. Device according to one of claims 31 to 40, with a device for counting interference patterns or maximums which are detected in the output signal or the output signals. 42. Vorrichtung nach Anspruch 41 mit einer Einrichtung zur Synchronisierung des Schätzsignal-Erzeugers von dem Zähler.42. Apparatus according to claim 41 comprising means for synchronizing the estimation signal generator from the counter. 43. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Einrichtung zum Empfang eines Null-Mittel-Ausgangssignals des Interferometers und einer Einrichtung, um dessen Nulldurchgänge zu erfassen.43. Device according to one of the preceding claims with a device for receiving a zero-average output signal of the interferometer and a device for detecting its zero crossings. 44. Vorrichtung nach Anspruch 43 mit einer Einrichtung zum Ernpfang eines zweiten Eingangssignals mit Phasendifferenz zu dem ersten, einer Einrichtung zur Bestimmung der Phase des Nulldurchgangs aus dem ersten und dem zweiten Signal, einer Einrichtung zur Bestimmung der Richtung des Durchgangs und einer Einrichtung zur Erhöhung oder Verminderung des Muster- Zählstands abhängig von der Richtung und der Phase.44. Apparatus according to claim 43, comprising means for receiving a second input signal having a phase difference to the first, means for determining the phase of the zero crossing from the first and second signals, Means for determining the direction of passage and means for increasing or decreasing the pattern count depending on the direction and phase. 45. Verfahren zum Messen von Oberflächen-Merkmalen, aufweisend:45. A method for measuring surface features, comprising: Bewegen einer von einem Sondenhalter (120) gehaltenen Sonde (130) entlang einer zu messenden Oberfläche unter Zulassung einer Drehbewegung der Sonde um einen Drehpunkt (121), dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehbewegung der Sonde (120) unter Verwendung eines Gitterinterferometers mit einem Beugungsgitter (300) gemessen wird, das auf einer gekrümmten Fläche angeordnet ist, die mit dem Sondenhalter (121) so verbunden ist, daß sie sich mit dem Halter (121) bewegt und die einen am Punkt (121), um den die Sonde (130) drehbar ist, gelegenen Krümmungsmittelpunkt aufweist.Moving a probe (130) held by a probe holder (120) along a surface to be measured while allowing a rotational movement of the probe about a pivot point (121), characterized in that a rotational movement of the probe (120) is measured using a grating interferometer with a diffraction grating (300) arranged on a curved surface which is connected to the probe holder (121) in such a way that it moves with the holder (121) and which has a center of curvature located at the point (121) about which the probe (130) is rotatable.
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